Bakterilerin Karmaşık Savunma Sistemini Kullanarak Virüsleri Yok Edebilir Miyiz?

Bakterilerin virüsleri yok etme yeteneği bilim insanlarının kafasını kurcalayan bir konuydu ancak Johns Hopkins Üniversitesi Bloomberg Halk Sağlığı Okulu’ndan araştırmacılar bakterilerin bağışıklık sistemi hakkında artık daha keskin bir bakış açısına sahipler. Bu bakış açısına göre bakterilerin kendine has şekli hızlı bir şekilde saldırganlarını tanıyıp yok edebilmesine olanak sağlıyor.

Araştırmacılar ilk kez bakteri hücrelerinin içinde nöbet tutan ve Cascade olarak bilinen moleküler mekanizmanın resmini yakaladılar. Şaşırdıkları şey ise buldukları mekanizmanın merdivene benzeyen çift iplikçiğe sahip olmasıydı. Bu sistem, standart çift sarmallı sistemden daha hızlı çalışması konusunda mekanizmayı özgür kılıyordu.

Science dergisinde yayımlanan bulgular aynı zamanda antibiyotik direncin yayılmasıyla ilgili ipuçları sunmakta. Bilindiği üzere antibiyotik direnci bakterilerin ortama uyum sağlamasından kaynaklanıyor ve tedaviye ihtiyacı olan insanlarda antibiyotiklerin işe yaramamasına neden oluyor. Bu yüzden Dünya Sağlık Örgütü (WHO) antibiyotik direncinin tüm dünyada halk sağlığı açısından büyük bir tehdit oluşturduğunu düşünüyor. Bloomberg okulunun Biyokimya ve Moleküler Biyoloji bölümünden Doç. Dr. Scott Bailey çalışmaya liderlik ediyor. Çalışma hakkında ise şunları söylüyor:

Eğer bir şeyin neye benzediğini anlarsanız, ne yaptığını anlayabilirsiniz. Biz burada kimsenin daha önce görmediği, Cascade'in neden yaptığı işte bu kadar iyi olduğunu açıklayabilecek bir yapı keşfettik.

Araştırmaları için Bailey ve meslektaşları X-ray kristalografi adında bir cihaz kullandılar bu sayede bakterilerin ileri derecede özelleşmiş bağışıklık sistemleri için anahtar bileşenlerden biri olan CRISPR (Düzenli Aralıklarla Bölünmüş Palindromik Tekrar Kümeleri) olarak bilinen Cascade’nin fotoğrafını çekebildiler. Cascade istilacı maddeleri tanımlamak ve yok etmek için RNA dizilerinde bulunan bilgileri kullanıyor.

İnsanların bağışıklık sisteminin büyük bir bölümü iyi anlaşılmıştı, fakat son döneme kadar bilim insanları, bakteriler de dahil olmak üzere, tek hücreli yaşam formlarının bağışıklık sistemleriyle ile ilgili karmaşıklık seviyelerini yeterince fark edemediler. Birkaç yıl önce, bilim insanları bakteri kültürlerinin neden ciddi viral enfeksiyonlara karşı dayanamadıklarında yoğurt oluşturduğunu anlamaya çalışırken CRISPR’ı tanımladılar. Araştırmacılar daha sonra DNA’yı düzeltmek ve zarar görmüş genleri onarmak için ‘CRISPR bakteriyel bağışıklık sistemini’ kullanabileceklerini keşfettiler. Örneğin bir grup, HIV virüsü bulaşmış insan hücrelerinden virüs DNA’sını çıkartabildi.

Bailey’in çalışmaları Cascade’nin bakteriyofaj adı verilen virüsleri uzak tutmak ve etkisiz hale getirmek konusunda bakterilere nasıl yardım edebildiğine odaklandı. Cascade sistemi bakteriyofaj DNA’sının yabancı mı yoksa kendisine mi ait olduğunu taramak için kısa bakteriyel RNA iplikçiklerini kullanıyor ve eğer yabancıysa bir saldırı başlatarak işgalci bakteriyofajı yok ediyor.

Bailey ve ekibi, bunun nasıl olduğunu görmek için Cascade'i kristalleştirdi. New York, Upton’daki Brookhaven Ulusal Laboratuvardaki Ulusal Sinkroton Işık Kaynağı ve Stanford Sinkroton Radyasyon Işık Kaynağı’nda çalışan teknisyenler yüksek güçteki X-rayler ile bu kristaller üzerinde çalıştı. Bu X-rayler Bloomberg Okulundaki bilim insanlarına hesaplamalı veriler göndererek sadece doğru sırayla çalışması halinde işlev gösteren bir makina olan 11 proteinlik Cascade'nin net olarak görülmesini ve resmedilmesini sağladı.

Araştırmacılar, Cascade’de DNA ve RNA’nın çift sarmal yapı olarak birbirine dolanmak yerine merdiveni oluşturan paralel çizgilere benzediklerini ortaya koyan şaşırtıcı bir bilgiye ulaştılar. Bailey şöyle söylüyor: 

RNA’nın işgalcileri tanımlayabilmek için kendisini DNA etrafında dolaması ve çözülüp sıradaki iplikçiği kontrol etmesi halinde enfeksiyonu savuşturmak çok uzun sürebilir. Merdiven yapısı sayesinde, RNA bu işlem için DNA’yı çabucak tarayabiliyor.

Yeni çalışmada hakkında Bailey şöyle söylüyor: 

Ekibim RNA’nın DNA’yı tıpkı insanların bir metinde anahtar bir kelimeyi taradıkları gibi taradığını belirlediler. Buna göre RNA’lar, daha kolay tanıyabilmek için uzun şeritteki karakterleri çok daha küçük kısımlara ayırıyorlar. CRISPR-Cas sistemi doğası gereği bakteriler ve bakteriyofajlar arasında genetik bilginin aktarılmasını engelleyen bir bariyer olarak davranıyor ve bu işlevi antibiyotik direncinin nasıl geliştiğinin yanı sıra nasıl engellenebileceği hakkında da ipuçları veriyor. Puzzle'ı tamamlamak için daha fazla parça buluyoruz ve bu bize sözü geçen mekanizmaların hedeflerini nasıl bulduğu hakkında daha çok bilgi veriyor. Bu sayede CRISPR sistemlerini, laboratuar ortamında DNA’yı tedavi edebilmenin yanı sıra değiştirmekte de kullanabiliyoruz. Bütün bunlar birileri daha ucuza yoğurt yapmak istediğinde başlamıştı.