Biyolojik devreler

Günlük yaşamımızda kullandığımız teknolojik ürünlerin temelinde elektronik devreler bulunmakta. Hücrelerimizi de indirgeyerek bakarsak DNA’nın, RNA’nın, gen ürünleri olan proteinlerin bir araya geldiği daha karmaşık elektronik devrelere benzetebiliriz.  Hücreye gelen çevresel sinyaller ya da hücre içindeki çeşitli sinyaller, hücrenin kendi biyolojik devrelerinden geçer ve işlenir. Canlı hücreler değişen çevre koşullarını izleyip, uyum sağlayabilmek için sürekli kendilerine gelen bilgiyi işlemek, değerlendirmek ve buna uygun hücresel cevapları oluşturmak zorundadır. Örneğin ortam sıcaklığı arttığında, sıcaklık şoku cevabı tüm canlı hücrelerin ortak özelliğidir. Hücreler sıcaklık artışını biyolojik devreleri aracılığı ile algılar ve sıcaklık şoku proteinleri adı verilen bir dizi düzenleyici proteini sentezleyerek, hücreye yansıyan sıcaklık stresi ile başa çıkmaya çalışır. Biyolojik devreler, temelinde genler, gen düzenleyici hücre elemanları, RNA ve gen ürünü proteinlerden oluşmaktadır. Son on yılın en gözde ve hızla gelişen alanlarından biri olan sentetik biyoloji bugün bize bu biyolojik devreleri değiştirme, doğada bulunmayan yeni biyolojik devreleri tasarlama ve yapma olanağını sağlamakta. 

2010 yılında Gothenburg Üniversitesinden araştırmacılar maya hücrelerini gen mühendisliği ve sentetik biyoloji yöntemlerini kullanarak değiştirmişti1. Maya hücreleri, çevrelerini belirlenen kriterler temelinde hissedecek ve çevrelerine moleküller salgılayarak çevrelerindeki diğer hücrelere sinyaller yollayacak şekilde değiştirilmişti. Bu hücreler Lego parçaları gibi çeşitli kombinasyonlarda birleşitirilerek daha karmaşık hücre devrelerini oluşturma potansiyeline sahipti.  Sentetik biyolojinin ana amaçlarından biri de biyolojik devreler oluşturup, bunların hücre içi davranışlarını araştırarak biyolojik tasarım prensiplerini anlamaktır. Bu tür yaklaşımlar hem araştırmacılara hücre içindeki düzenleyici ağları , yapıları, hücre içi ve hücreler arası dinamikleri ve biyolojik devreleri derinlemesine anlama imkanı tanırken, farklı biyolojik sistemlerin farklı düzeylerde kontrolü için yeni yollar ortaya koymakta ve hücrenin evrimini anlamamıza da ışık tutmaktadır. 

Bu hafta Nature Communications’da yayınlanan yeni bir araştırma Washington Üniversitesinden araştırmacıların yeni bir metot kullanarak canlı hücrelerde djital veri işlemesini başardıklarını ortaya koydu2. Son birkaç yılın en parlak buluşlarından olan CrispR-dCas9 sistemini kullanan araştırmacılar elektrik devrelerindeki mantık kapılarının hücresel benzerlerini oluşturmayı başardılar3. Araştırmacılar  CrispR-dCas9 kullanarak çeşitli sentetik genler yerleştirdi . Bu sentetik genler elektronik devrelerdeki NOR kapıları (hayır veya kapıları) gibi işlev görecek şekilde tasarlandı. NOR kapıları iki giren veri alır ve iki giren veri de olumsuzsa olumlu sinyalin geçişine izin verir.  Araştırmayı yürüten Prof. Erin klavins ve ekibinin oluşturduğu biyolojik devreler bugüne kadar ökaryotlarda oluşturulan devrelerin en kapsamlısı. Oluşturulan NOR kapılarının yedi tanesi hücrede tıpkı elektrik devrelerinde olduğu gibi seri ya da paralel bağlanarak daha karmaşık devreler oluşturulabiliyor. Çalışma, programlanabilir hücrelerin oluşturulmasına giden yolda büyük bir başarı olarak nitelendirilmekte. 

1Regot et al., Distributed biological computation with multicellular engineered networks. Nature, 2010; DOI: 10.1038/nature09679

2Gander et al., Digital logic circuits in yeast with CRISPR-dCas9 NOR gates. Nature Communications, 2017; 8: 15459 DOI: 10.1038/NCOMMS15459

3University of Washington. “Scientists borrow from electronics to build circuits in living cells.” ScienceDaily. ScienceDaily, 25 May 2017. <www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170525085123.htm>.