XNA: Laboratuvarda Üretilen Yapay/Sentetik DNA Molekülleri ve Yapay Canlılara Adım Adım...

Tüm olası moleküllerin içinde yalnızca ikisi muazzam bir çeşitlilik gücüne sahip. DNA ve RNA, genetik bilgiyi saklama ve uygun koşullarda onu aktarabilme yeteneğine sahip yegane iki molekül, tekrar eden kıvrımların içinde bilinen tüm canlı türlerinin tüm yapıtaşlarını kodlamakla ve barındırmakla mükellef iki güçlü polimer...

Her ne kadar bu konudaki ustalıkları ve eşsizlikleri uzun süredir su götürmez bir gerçek olsa da, durum değişmiş görünüyor, artık yalnız değiller. MRC Moleküler Laboratuarı’ndan Vitor Pinherio ve Philipp Holliger doğal seçilim yoluyla evrimleşebilen ve genetik bilgiyi saklayabilen 6 yeni alternatif polimer üretmeyi başardı. XNA’lar (Xeno/Yabancı Nükleik Asit) adıyla anılan bu moleküllerin hiçbiri doğada bulunmuyor, tam anlamıyla insanlığın en yeni şaheseri, sentetik uygulamalarda bir başka gün doğumu... XNA’nın oluşum aşamasını incelemeden önce, diğer iki nükleik asite değinmekte fayda var.

DNA, birbirine dolanmış sarmal merpenlere benzetildiğinde, korkuluklar deoksiribonükleik asit denilen şekerleri, basamaklar ise A (Adenin), G (Guanin), C (Sitozin) ve T (Timin) adları verilmiş dört çeşit bazı temsil eder ve bu basamakların farklı kombinasyonları merpenin uzunluğuna bağlı olarak sınırsız bir çeşitlilik ve özerklik ortaya koyar. RNA da (ribonükleik asit) bu yapıya fazlasıyla benzemektedir ancak burada söz konusu olan tek bir sarmal merpen ve bulundurdukları atom sayısındaki değişiklikler yüzünden Timin’in yerini (ve adını) Urasil’e (kısaca "U"), deoksiribozun da yerini (ve adını) riboza bırakmasıdır.

Genetik biliminde teknolojinin geldiği son nokta olan XNA’lar da tıpkı diğer iki benzeri gibi "nükleik asit" olarak adlandırılıyor; ancak bulundurdukları şekerler deoskiriboz ve ribozdan bir hayli farklı. Bu da, yapısal olarak küçük ancak evrimsel süreçte ve organizma boyutunda enzimsel aktivitelerin dayandığı fizik temellerinde büyük değişikliklere sebebiyet veriyor. Bu XNA'nın adındaki "X" harfi, sadece "yabancı" anlamına gelen Xeno sözcüğünü karşılamıyor. Aynı zamanda, üretilen birden fazla yapay genetik malzemeden, hangi şekerin kullanıldığına bağlı olarak o X harfinin yerine geçecek harf de belirleniyor. Fark etmiş olabileceğiniz gibi DNA'nın D'si "deoksiriboz" şekerinden, RNA'nın R'si "riboz" şekerinden geliyor. Benzer şekilde, XNA'nın X'inin yerine birbirinden farklı 6 harf gelebiliyor ve hangisinin geleceğine, hangi şekerin kullanıldığı karar veriyor. Harvard Üniversitesi'nden Jack Szastor şöyle söylüyor:

“Yaşamın kökeni incelemeleri çerçevesinde düşünüldüğünde oldukça ilginçler. Teoride pek çok polimer DNA ve RNA’nın yaptıklarını yapabiliyorken şimdiye kadar modern biyolojinin bu ikisiyle yetinmiş oluşu şaşırtıcı.”

Evrimin Şekillendirdiği Genetik Malzemeler

Elbette ne kadar uzun süre akıllarda yer ederse etsin, biyoloji ve bilimin geri kalan tüm yüzlerinde olduğu gibi XNA çalışmalarında da gerek bilginin gerekse teknolojinin gerekse de hayalgücünün yetersizliği ile şimdiye kadar dikkate değer bir ilerleme kaydedilememişti. Bu konu üzerindeki çalışmalara imza atan beyinlerin sorgulaması gereken en önemi konulardan biri Darwinci evrimin yeni moleküller üzerinde uygulanıp uygulanamayacağıydı. Ne de olsa sentetik genlerin üretebileceği en küçük canlı veya canlı benzeri yapının hayatta kalma şansı, tamamen mutasyona uğrama, değişebilme ve adapte olma şansına bağlıydı. Şimdiyse Pinherio ve onun açtığı yolda hızla çalışmalara başlayan bilim adamları sayesinde başarıyla sorunun üstesinden gelindiği görünüyor.

Pinherio XNA’ları DNA’ların kendini kopyalamasından sorumlu enzimleri polimerazları kullanarak çoğalttı. Ancak polimerazların sadece deoksiribozu tanımlayabiliyor olmaları yaratılacak olan XNA’ları sıkıntıya düşürüyordı. Pinherio polimerazları deoksitiboz ve riboz dışındaki XNA’lar için kullanılan şekerleri tanımaya evrimleşmeye zorlayarak sorunu çözdü. Bu zorlama bile sayılmazdı, işin aslı fikir oldukça basitti. Diğer tüm canlı yapıtaşlarında olduğu gibi polimerazlarında birbirl- erinden belli ölçülerde farklı oluşu süreci bir hayli hızlandırıyordu. Pinherio birbirinden neredeyse gözden çıkarılabilecek farkları bulunan bir polimerazlar ve hedef DNA’lar havuzu oluşturup bu havuza XNA’ların kullanmasını amaçladığı pek çok farklı şekeri ekledi.

Bu polimerazlardan bazıları farklı şeker kullanarak nükleik asit üretebilecek yeteneği veren mutasyona sahipti ve Pinherio’nun tek yapması gereken bunları bulup daha hızlısına ulaşmak için çiftleştirilen iki hızlı yarış atı misali aynı ortamda izole ederek daha mutant ve daha isteğe uygun bir enzimler havuzu oluşumunu sağlamaktı. Sonuç, DNA’ları kalıp alarak 6 farklı nükleik asit üretebilecek yepyeni bir enzim topluluğdu.

Pinherio bununla yetinmedi ve tam tersini gerçekleştirebilecek enzimler üretmek için yeni bir işleme koyuldu. Elbette daha önce XNA diye bir molekül var olmadığından, doğada da bu ters işleme elverişli herhangi bir seçilime yer verilmemişti. Pinherio bu sefer tam anlamıyla kaba kuvvete dayanan, zorlama bir yol izlemek zorunda kaldı: mutasyonu kendisi yarattı!

Mutasyonlar, genel olarak canlı yapının genomu üzerinde gerçekleşen kalıcı değişimler olarak tanımlanabilir ve bir geni mutasyona uğratmanın sayısız yolu vardır. Bunlardan en bilindikleri ise, radyasyona, X ışınlarına, ultraviyole ışınlara, transpozonlara ve virüslere maruz bırakmaktır (veya organizmanın bunlara normal şekilde maruz kalmasıdır). Yine, bunların tamamı günümüz laboratuar koşullarında gerçekleştirilebilmektedir. Pinherio da çeşitli polimezlar üzerinde pek çok rastgele mutasyona sebep oldu ve sonuçta ortaya çıkan mutant enzimlerden XNA’yı DNA’ya dönüştürme yeteneğine sahip olanları izole ederek koruma altına aldı. Yani doğanın uzun sürede uyguladığı seçilim işlemini, yapay bir süreçten geçirerek hızlandırmış oldu. Yaptığı zor, uzun, başarılma ihtimali düşük olan, ancak teoride oldukça basit bir yöntemdi: milyonlarca yıldır süregelen evrimi laboratuvarda taklit etmek...

Yeni Canlılar, Hatta Canlı Grupları Yaratmak

Bu yeni polimerazların en büyük özellikleri DNA’yı yüzde 95'lik doğruluk payıyla XNA’ya kopyalayabiliyor oluşlarıdır. Konu üzerinde durmak bilmeden çalışan bilim insanlarının sırada iki büyük hedefi var: Yüzde 100'lük doğruluk payına ulaşmak ve XNA’yı bir başka XNA’yı baz alarak doğrudan kopyalayabilmek: yani replikasyon yeteneği olan XNA’lar yaratmak. Bu da, elbette DNA’ları değil XNA’ları hedef olarak gören polimerazlar üretebilmeye bağlı. Az önce bahsi geçen iki yöntem kullanılarak yaratılabileceği teoride mümkün görünse de, söz konusu olan doğanın şimdiye kadar izin vermediği bir molekülü baştan yaratmak ve başka bir açıdan yaklaşılmadığı sürece gerekli polimerazı üretmek, saklamak ve çoğaltmak daha uzun bir süre alacak gibi görünüyor. Eğer bu gerçekleşirse, asıl genetik materyali XNA’lar olan ve bu materyali her çekirdek ve dolayısıyla hücre bölünmesinde çoğaltabilen, yeni, daha öncekilere benzer, tıpatıp ya da bambaşka canlılar evrimleşebilecek. Daha doğru bir deyimle bu yeni canlılar, insanlar tarafından canlılar alemine kazandırılmış olacak.

Bunun için bazı ipuçları yok değil. Pinherion ve takımı çoktan FANA’dan FANA, CoNA’dan CoNA ve hatta CoNA’dan HNA kopyalamayı başardı. Ama çıkan sonuç ve işlemin gerçekleşme aşaması DNA’nın kalıp olarak kullanılması durumundan kat be kat düşük ve yetersiz.

Philipp Holliger XNA’nın kimyasal perspektiften bakıldığında diğer iki nükleik asitlerden çok da farkı olmasa da, iki grup arasında işlevsel ve fizyolojik açıdan belli sınırların olduğunu söylüyor. Bunların başındaysa, XNA’nın gücü ve sağlamlığı geliyor. DNA ve RNA doğal yaşamları esnasında sürekli bir tehlike halinde, asitler zinciri oluşturan basamakları kırabiliyor, birçok enzim yapıtaşlarını kesip atabiliyor. XNA’ların ise böyle bir problemi yok, doğadışı yapıları ve doğa tarafından tanınmaz oluşları onları doğam enzimlere, yüksek pH’a ve öteki pek çok kimyasala ve zorlu koşula karşı görünmez kılıyor. DNA ve RNA’nın bile katı bir yüzeyde binlerce yıl yapıları bozulmadan kalabildikleri düşünüldüğünde, XNA’ların yaşamının pratik olarak sonsuz olduğu öngörülebilir. Bu da, çok uzun süre kendi kendilerine yapılarını koruyabilecekleri anlamına geliyor. Bu yönüyle XNA, pek çok uygulama için biçilmiş kaftan. Uzun zamanlar bilim insanları zaten "aptamer" adıyla bilinen kısa DNA ve RNA iplikleri üretiyorlardı.

Aptamerlerin amacı belli bir hedefe tutunmak ve gerekli işlemi yerine getirmek. Bu işlem özel bir genin yerini bulup ortaya çıkarmak ya da belli proteinlere tutunarak hastalıklı hücrelere ilaç tedarik etmek olabilir. Kullanım alanları geniş ama zayıf ve kararsız moleküller. Bu durumda aptamerler, ANA’lar baz alınarak üretilirse çok daha dayanıklı ve kararlı hale geleceklerdir. Tıpkı RNA gibi, XNA’lar da üç boyutlu karmaşık şekillere kıvrılabiliyor. Alex Taylor, bu özelliğinden yararlanarak HNA aptamerleri üretmeyi başardı. İşlem, polimerazlarda olduğuyla neredeyse aynıydı: belli bir protein ve RNA şeklini algılayabilen XNA’lar için en uygun aptamerin devamlı ve tekrarlanan seçilimi.

Ne İşe Yarayacak?

Floyd Romesberg’e göre tıp bilimi de bu buluşlardan nasibini alacak. Tedavi amacıyla vücuda yollanan enzimler ve antibiyotiklerin büyük çoğunluğu mide ve kan damarlarında sindirilerek işlevinin çoğunu kaybediyor. Yıkıcı enzimler, yabancı bir madde olan XNA’yı tanıyamayacağı için böyle bir sorun da ortadan kalkmış oluyor. Ama bu tarz uygulamalar için elbette en büyük sorun XNA’yı vücudumuzun kabul edeceği mi yoksa bağışıklık sistemi tarafından alt mı edileceği... Bunu etik kuralların çizdiği sınırlar, zaman ve elbette insanların bilgi ve teknolojik yetisinin hangi düzeye ulaştığını gösterecek.

Eğer XNA’lar kendi kendiliğinden, DNA’dan tam anlamıyla bağımsız üreyebilmeyi başarırsa, daha önce görülmemiş bir canlı türleri ortaya çıkacak ve nükleik asitlerin hayatın başlangıcındaki önemi, DNA ve RNA’dan daha başarılı genetik bilgi muhafızları ve mirasçıları olup olmadığı, bu iki molekülün tamamen rastlantı eseri mi bu konuma geldiklerine cevap bulabilecek.

Tüm bu çalışmalar genetik bilgiyi taşıyan moleküllere yeni bir fırça darbesi vurmak üzerine atılmış adımlar. Bazlardan şekerlere kadar merpenin her bir basamağı çığır açan yenilikler ve değişiklikler için rolünü oynamayı bekliyor. Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı’ndan Steve Benner çoktan iki farklı baz türü içeren bir molekül üretmeyi başardı (Z ve P). Bunun molekülün uygulamaya geçirilmesi halinde ne denli muazzam bir bilgi kapasitesi olacağını hayalinizde canlandırmaya çalışın. Başaramıyorsanız sorun yok, bunların çoğu hayalgücünün sınırlarını zorlayan çalışmalar...

Madalyonun Öteki Yüzü: Biyolojik Silahlardaki Kullanımı

Bu büyüleyici ve cezbedici bulguların yanı sıra, tıpkı bilimin her alanında olduğu gibi burada da madalyonun iki yüzünü görmekte fayda var. Doğaya aykırı bu moleküller, özellikler de yok edilmeleri imkansıza yakın derecede zor olanlar, çoktan bilim dünyasındaki tartışmalara kıvılcımını verdi. Scripps Enstitüsü'nden Gerald Joyce, ilgili yazısında şu cümleleri kuruyor:

Biyologlar alternatif genetik dünyasında eğlenmeye devam ededursunlar; ancak biyolojiye zarar verme riski bulunan bu moleküllerin sahaya çıkarılma zamanları henüz gelmedi.

Harvard Üniversitesi'nden George Church’ün de belirttiği gibi en büyük risk, XNA’ların güçlü fiziksel özelliklerinden kaynaklanıyor. Bu durum, doğa tarafından neredeyse yok edilemez oluşları, XNA’nın kontrolü ele geçirip DNA ve RNA’yı canlılığın uzun geçmişini göz önüne aldığımızda çok da uzun sayılamayacak bir süre içinde ortadan kaldırmasına sebep olabilir. Yapay genlerin atağa geçmesi ve özellikle vahşi doğaya yayılması, Steve Benner tarafından varsayıldığı üzere yaşam zincirinin yapıtaşı mikroskobik canlılar başta olmak üzere canlılar alemine uyandırılması güç bir kabus yaşatabilir. Benner’a göre XNA’lar DNA ve RNA’ların hüküm sürdüğü bir dünyada görünmez olmak ve bu şekilde kalmak zorundadır. 

Bilim hakkında söz söyleme hakkına sahip olan kimdir? Bilim insanları mı? Etik kurulları, halk, politikacılar ya da düzenlenen moratoryum sözcüleri mi? Elbette hiçbiri, tek başına söz hakkına sahip değildir. Her ne kadar düzen bu şekilde işlemese de bilime yön verecek tek etken, yine bilimin kendisi olmalıdır. Burada ince bir çizgi var, bilimden kaçınmak ve bilimi zorlamak... Bir tarafta pek çok hastalığa çare bulacak, sayısız canlının hayatını ve neslini kurtaracak bir buluşa kavuşmaktan bir adım geride durmak var; diğer yanda ise büyük bir yıkım getirme riski... Yapılması gereken, küçük adımlarla, sonu gelmez kontrollü deneylerle ve her zaman bir sonraki adımı göz önünde bulundurarak ilerlemek, küçük taşları üst üste koyarak büyük yapılara ulaşmak olmalıdır. Hataya karşı bütünüyle önlem alarak, hep ilerisini sorgulayarak, deneyerek, tekrar tekrar deneyerek ve hayal ederek, bilimin yolunda ilerlemek...

Bilim, bugüne kadar hep bu şekilde var olmuş ve gelişmiştir. Bundan sonra da bu şekilde var olacak ve gelişecektir.