Yapay Genom ile Yaşam Benzeri Sistemler Oluşturmak Mümkün mü?

Sentetik biyoloji alanı sadece yaşam süreçlerini gözlemlemek ve tanımlamakla kalmaz, aynı zamanda onları taklit eder. Yaşamın önemli bir özelliği, bir kimyasal sistemin bakımı anlamına gelen çoğaltma yeteneğidir. Martinsried'deki Max Planck Biyokimya Enstitüsündeki bilim adamları, kendi DNA ve protein yapı taşlarının parçalarını yeniden oluşturabilen bir sistem üretti.

Araştırmacılar sentetik biyoloji alanında, cansız yapı taşlarından yaşam taklit sistemlerinin üretilmesi anlamına gelen "aşağıdan yukarıya diye adlandırılan süreçleri araştırmaktadırlar. Tüm canlı organizmaların en temel özelliklerinden biri, kendini farklı varlıklar olarak koruma ve çoğaltma yeteneğidir. Ancak, kendini kopyalayabilen bir sistem oluşturmak için yapay "aşağıdan yukarıya" yaklaşımı büyük bir deneysel zorluktur. Bilim insanları ilk kez bu engelin üstesinden gelmeyi ve böyle bir sistemi sentezlemeyi başardılar. Max Planck Biyokimya Enstitüsü araştırma grubu Biyomimetik Sistemler başkanı Hannes Mutschler ve ekibi, "aşağıdan yukarıya" yaklaşımıyla genomların ve protein sentezinin kopyalanmasını taklit etmeye yönelik çalışma başlatmışlardır. Her iki süreçte de esas olan biyolojik sistemlerin kendi kendine korunması ve çoğaltılmasıdır. Araştırmacılar her iki sürecin aynı anda gerçekleşebileceği bir in vitro sistem üretmeyi başardılar. Mutschler, sistemlerinin moleküler bileşenlerini önemli bir bölümünü yeniden üretebildiğini belirtti. Araştırmacıların bu süreci başlatmak için bir yapım kılavuzunun yanı sıra çeşitli moleküler makinelere ve besin maddelerine ihtiyaçları vardı. Buradaki, yapı kılavuzu protein üretme bilgilerini içeren DNA’dır. Proteinler genellikle moleküler makineler olarak adlandırılır çünkü organizmalarda biyokimyasal reaksiyonları hızlandıran katalizörler olarak işlev görürler. DNA'nın temel yapı taşları nükleotidlerdir ve proteinler amino asitlerden yapılır.

Proteinlerin Yenilenmesi

Spesifik olarak, araştırmacılar proteinleri DNA planına göre sentezleyen bir in vitro ekspresyon sistemi optimize ettiler. Birkaç iyileştirmeden sonra, in vitro ekspresyon sistemi artık DNA polimerazları olarak bilinen proteinleri çok verimli bir şekilde sentezleyebilmektedir. Bu DNA polimerazları daha sonra nükleotitler kullanarak DNA'yı çoğaltır. Çalışmanın ilk yazarı olan Kai Libicher önceki çalışmaların aksine, sistemin nispeten uzun DNA genomlarını okuyabilir ve kopyalayabilir olduğunu açıklamıştır. Bilim insanları yapay genomları halka şeklindeki on bir DNA parçasından birleştirdiler. Bu modüler yapı, belirli DNA segmentlerini kolayca takmalarını veya çıkarmalarını sağlamıştır.

Yapılan araştırmada, araştırmacılar tarafından çoğaltılan en büyük modüler genom, 116.000'den fazla baz çiftinden oluşur ve çok basit hücrelerin genom uzunluğuna ulaşır. Yapay genom, DNA replikasyonu için önemli olan polimerazların kodlanmasının yanı sıra Escherischia coli bakterisinden kaynaklanan 30 çeviri faktörü gibi başka proteinler için planlar içerir. Tercüme faktörleri DNA planının ilgili proteinlere çevirisi için önemlidir. Bu nedenle, biyokimyasal süreçleri taklit eden kendi kendini kopyalayan sistemler gereklidir.

Yeni in vitro ekspresyon sisteminin sadece DNA'yı üretebildiğini değil, aynı zamanda kendi çeviri faktörlerini de üretebildiğini göstermek için araştırmacılar kitle spektrometrisi kullandılar. Bu analitik yöntemle sistem tarafından üretilen protein miktarını belirlediler. Gelecekte, bilim insanları yapay genomu ek DNA segmentleriyle genişletmek ve araştırma ağı MaxSynBio'daki meslektaşları ile işbirliği içinde, besin maddeleri ekleyerek ve atık ürünlerin imha edilmesiyle yaşayabilecek zarflı bir sistem üretmek istemektedirler. Böyle bir minimal hücre daha sonra biyoteknolojide doğal maddeler için özel yapım bir üretim makinesi veya daha karmaşık, yaşam benzeri sistemler oluşturmak için platform olarak kullanılabilir.