Sentetik bir renk paleti: Escherıchıa colı

Escherichia coli günümüzde en fazla bilinen ve araştırmalarda en yaygın olarak kullanılan bakteri türüdür desek sanırım abartmış olmayız. 1884 yılında mikrobiyolog ve pediyatri uzmanı Theodor Escherich çocukların bağırsaklarında yaşayan mikropları ve bunların sindirim ve hastalıktaki rollerini araştıran bir çalışma başlattı1. 

Bu çalışmada Escherich, hızlı büyüyen bir bakteri türünü saflaştırdı ve buna Bacterium coli commune ismini verdi. İşte bu bakteri, bugün bildiğimiz adıyla Escherichia coli (kısaca E. coli) idi. E. coli’nin bu kadar tanınmasını ve laboratuvar araştırmalarında kullanımının yaygınlaşmasını sağlayan şey, onun kolayca bulunur oluşu ve laboratuvar ortamında kolayca büyütülebilmesiydi. Patojen (hastalık yapıcı) olmayan, herhangi bir besiyerinde hızlıca büyüyen E. coli suşları hemen hemen her insandan elde edilebiliyordu. Farklı üniversitelerin, araştırma enstitülerinin mikrobiyoloji eğitimi için oluşturdukları kültür koleksiyonlarının ayrılmaz bir parçası idi E. coli. Dolayısıyla 20. ve 21. yüzyılın model organizması olmasını da bu özelliklerine borçlu. Moleküler biyoloji ve genetik alanlarının önemli kilometretaşı bulguları, bu model organizmada yapılan deneylerle ortaya çıkarılmıştır. Bu bulgular, model organizma olarak E. coli’yi daha iyi anlamamıza olanak tanırken onu yaşam bilimlerinin yıldızı haline getirdi. Bugün ilaç olarak kullandığımız insülin, interlökin-2, insan interferon-beta proteini, eritropoietin, insan büyüme hormonu, pıhtılaşma faktörleri, taxol gibi proteinlerin çoğu E. coli’de üretilmektedir. E. coli biyoteknolojinin, rekombinant DNA teknolojilerinin, gen manipülasyonu teknolojilerinin hızlıca gelişmesiyle ortaya çıkan sentetik biyolojinin de model organizması olarak rolünü sürdürmektedir. 

2005 yılında Cristopher Voigt ve ekibi E. coli hücrelerini ve sentetik biyoloji yöntemlerini kullanarak kırmızı ışıkla bazı genlerini ifade eden yeni bir bakteriyel sistem tasarlamayı başardı2. Bunun için, bakteri hücrelerine bir sensor kinaz proteini kodlayan geni aktardılar. 

Normalde bitkilerde ve bazı bakterilerde protein yapıda fotoreseptörler bulunur. Bu fotoreseptörler ışık alıcı proteinler olarak işlev görürler ve bitkinin ya da bakterinin ışığa yöneliminde görev alırlar. E. coli’de  ise bu mekanizma bulunmaz. Voigt ve ekibi bu mekanizmada görev alan bazı genleri aktararak bakterinin siyah beyaz kimyasal fotoğraflar oluşturmasını sağladı. O günden bugüne yaklaşık 12 yıl geçti. Gen manipülasyonu yöntemlerimiz gelişti. CRISPR-Cas9 gibi çoklu gen manipülasyonlarına daha kısa sürelerde olanak tanıyan teknolojilerin geliştirilmesi ve rutin kullanımları, Voigt ve ekibinin daha fazla sayıda sentetik geni bakteriye aktarmasına olanak sağladı3. Ekip, 18 gen, 14 promoter, 18 terminatör ve 4 plazmidden oluşan, toplamda 46.198 baz çiftinden oluşan  sentetik DNA’yı bakteriye aktardı ve bakterinin kırmızı, yeşil ve mavi ışığı algılayıp ayırt etmesini sağladı. Üzerine kırmızı, yeşil ve mavi dalgaboyunda ışık düşürülen bakteri hücreleri, farklı sentetik enzimleri üretti ve bu enzimler farklı substratları parçalayarak kırmızı, yeşil ve mavi ışık düşürülen bölgelerde, kırmızı, yeşil ve mavi pigmentleri oluşturdu. Böylece bakteriler, üzerlerine düşen farklı renklerdeki ışık resimlerini besiyeri üzerine kopyalamış oldu. 

1- https://elifesciences.org/articles/05826
2- Levskaya et al., Synthetic biology: Engineering Escherichia coli to see light, Nature 438, 441-442 (24 November 2005) | doi:10.1038/nature04405
3- Fernandez-Rodriguez et al., Engineering RGB color vision into Escherichia coli, Nature Chemical Biology 13, 706-708 (2017) doi:10.1038/nchembio.2390