Yaşamın kodunu yeniden yazmak: Nobel 2018

Geçtiğimiz hafta 2018 yılı Nobel ödülleri açıklandı. Hem Nobel Tıp, hem de Nobel Kimya ödüllerini alan araştırmacılar çok önemli bilimsel alanlardaki öncü çalışmaları nedeniyle bu ödülleri aldılar. Kimya, Nobel Ödüllerini veren Nobel Vakfı’nın kurucusu Alfred Nobel’in kendi alanı olması itibarıyla Nobel’in vasiyetinde ikinci sırada olan alandır. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nden (Caltech) Frances Arnold, yönlendirilmiş evrim konularındaki çalışmaları ile alanın temellerini attığından Nobel Kimya Ödüllünün yarısını aldı.  Ödülün diğer yarısı ise, faj gösterim teknolojisi ile antikor ve peptid geliştirme konusundaki çalışmaları ile Missouri Üniversitesi’nden George P. Smith ile Cambridge Üniversitesi’nden Sir Gregory P. Winter’a verildi.  Nobel Tıp Ödülü ise James P. Allison ve Tasuku Honjo’ya negatif bağışıklık regülasyonu kullanarak, vücudun bağışıklık hücrelerini kanser hücrelerini tanıyarak bertaraf etmeleri için yönlendiren kanser immunoterapisi alanındaki çalışmaları nedeniyle verildi.

Bu seneki Nobel Kimya ödüllerine evrim damgasını vurdu. Evrimsel yöntemler uygulanarak geliştirilen ve üstün özelliklere sahip yeni enzimler, yeni antikorlar, yeni peptidler kanser tedavisinden, üretim teknolojileri bakımından çevreye daha az zarar veren kimyasalların, özel ilaçların üretimine kadar pek çok alanda kullanılıyor.  Frances Arnold’ın Nobel alması çok şaşırtıcı olmadı aslında.

Çalıştığım alanın da öncülerinden olan bu mütevazı kadının bilimsel çalışmalarını, önce bilimsel yayınlarından takip etme, sonrasında ise kendi ağzından dinleme fırsatım oldu. Arnold, 2015 yılında Viyana Teknik Üniversitesi ev sahipliğinde yapılan Biotrans 2015 Konferansı’nda ana konuşmacılardandı ve “Yönlendirilmiş Evrim ile İnovasyon: Evrim Evrenini Genişletmek” başlıklı bir konuşma yapmıştı. Yönlendirilmiş evrimle geliştirdikleri çok sayıda (çok sayıda derken binlerce) yeni mutant enzimi nasıl hızlı bir şekilde karakterize ettiklerini, yeni kimyasalların üretiminde bu enzimlerin nasıl kullanıldığını anlatmıştı. 

Frances Arnold, Caltech’de Kimya Mühendisliği, Biyomühendislik ve Biyokimya Profesörü olarak çalışıyor. Yeni biyolojik moleküller yaratmak üzere laboratuvarda Darwinci evrimsel yöntemleri kullanıyor. Nasıl mı? Proteinleri kodlayan genler üzerinde binlerce rastgele mutasyon yaratıp, bu mutant genlerin gen ürünleri olan mutant proteinleri üretip, onların özelliklerini ortaya çıkararak. Binlerce mutant protein arasından yeni ve yararlı özelliklere sahip olanları seçen Arnold, böylece Darwin’in doğal seçilim mekanizmasını yapay seçilim için kullanıyor. Yine protein yapı ve işlev bilgisini kullanarak yaptıkları mutasyonlar ile de yeni ve yararlı özelliklere sahip proteinler elde edilebiliyor. Arnold daha çok enzimler üzerinde çalışıyordu. Bir süre, selülozu sindiren selülazların yönlendirilmiş evrimi üzerinde çalışmalar yürüttü. Son dönemlerde ise kimyasalların üretiminde kullanılmak üzere yeni ve daha iyi özelliklere sahip enzimlerin geliştirilmesi üzerine çalışıyor.

Tüm bunları yazmak kolay ama hayata geçirmek elbette daha zor. Çünkü her bir enzim ayrı bir vaka. Her enzimin yürüttüğü (katalizlediği/hızlandırdığı) farklı bir tepkime var. Örneğin, selülaz enzimlerinden endoglukonaz, selüloz zincirini, daha küçük şeker (glikoz) ünitelerine parçalarken yoğunluklu olarak zincirin iç bölgelerinden kesim yapıyor. Yine selülaz enzimlerinden eksoglukonaz, selüloz zincirini içten kesemiyor ama zincirin uç bölgesinden kesim yapabiliyor. İşte bu içten ya da uçtan kesme özellikleri ise bu enzimlerin üç boyutlu yapıları tarafından belirleniyor. Endoglukonazda selülozu kesen bölge, tıpkı Pacman’deki karakterin ağzı gibi açıkken ve dolayısıyla selüloz zincirine kolaylıkla erişebiliyorken, eksoglukonazlarda enzimin aktif bölgesi kapalıdır ve enzim yalnızca zincirin uçlarından küçük şekerleri kopartabilir. Her enzim için bu yapı ve işlev ilişkisi, enzimin katalizlediği tepkime farklıdır ve bu bilgilerin açığa çıkarılması elzemdir. İşte yönlendirilmiş evrim hem bu yapı ve işlev ilişkisini ortaya çıkarmak için, hem de yeni ve daha iyi özelliklere sahip enzim ve proteinler üretmek için kullanılıyor. Özellikle peptid/protein yapısındaki ilaçların tasarımında hem yönlendirilmiş evrimle, hem de yapıdan yola çıkılarak yapılan planlı mutasyonlar ile varolan ilaçlar daha da geliştirilebiliyor; bilinmeyen yeni ilaçlar ortaya çıkarılabiliyor. Yeni kanser ilaçlarının geliştirilebilmesi için bu yöntemler yaygınlıkla kullanılıyor. Yine, yeni antibiyotiklerin, aşıların geliştirilmesinde bu yöntemler yaygınlıkla kullanılıyor. 

Evrim Evrenini genişletmeye olan katkıları, mütevazılığı, çalışkanlığı ve paylaşımcılığı ile alanın öncülerinden olan bu bilim kadını bugüne kadar Nobel Kimya ödülünü alan beşinci kadın ve ilk Amerikalı kadın bilimci. Bu alanda Nobel’i alan ilk kadın Marie Curie idi. 2013 yılında çekilen ve National Medal of Technology & Innovation (Ulusal Teknoloji ve İnovasyon Madalyası) tarafından yayınlanan bir videosunda, çalışmaları konusunda şöyle diyor Arnold: “Yönlendirilmiş evrim, yaşamın kodunu yeniden yazmama ve özellikle de insana dair sorunları çözmek üzere bu kodu yeniden yazmama olanak veriyor…Bir kere yönlendirilmiş evrim teknolojisinin yapabileceklerini gösterdiğinizde, her türden yaratıcı insanın bu yöntemi sorunları çözmek için kullanabilmesi harika.”  Yaşamın kodunu yeniden yazmamıza olanak veren, ilham olan bu dev kadına selam olsun!