İki milyar yıl önce, jeokimyasal olarak kabarcıklı genç Dünya’da komşusunu basit bir bakteri yuttu. Yenen organizma, besinlere eritmek yerine, her şeye rağmen, ev sahibiyle simbiyotik bir ortaklık kurdu ve organel adı verilen özelleşmiş küçük fabrikalara dönüştü. Ökaryotik hücre doğdu.
Egzotik isimlerine rağmen, ökaryotik hücreler insanlara yakından aşinadır. Çoğu hayvanın ve bitkinin yapı taşları olan bu hücreler, yaşamın temellerine adanmış organellerle dolu karmaşık moleküler şehirlere dönüşmüştür. Örneğin çekirdek, genetik materyalimizi barındırır. İnanılmaz derecede karmaşık yapılara sahip çukur benzeri külçeler olan ribozomlar, protein üreten fabrikalar olarak hizmet eder. Moleküler mekikler, hücrenin viskoz içini uçan arabalar gibi dolaşır ve bir bölmeyi diğerine verimli bir şekilde bağlar.
İki milyon yıl boyunca bu, karmaşık yaşamı sürdürmenin fiili yoluydu. Hayat ciddi bir yükselişe geçmek üzere.
Bu hafta, Avrupa Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’ndan Dr. Edward Lemke başkanlığındaki bir Alman ekibi, Science dergisinde yaşayan hücrelerin içinde tamamen sentetik bir organel tanımladı. Doğada kökleri olan bu yapay fabrikalar, yine de yaşamın temel genetiğini elden geçirerek normal hücrelerin yeteneklerini patlatıyor. Bu organellerle donatılmış süper hücreler yalnızca normal DNA harflerini – A, T, C, G – doğal proteinlere dönüştürmekle kalmaz; aynı zamanda genetik kodu genişletebilir ve hücrenin normal işlevlerine müdahale etmeden tamamen yeni proteinler oluşturmak için tasarımcı yapı taşlarını kullanabilir.
Lemke ve meslektaşları Christopher Reinkemeier ve Gemma Estrada Girona, Singularity Hub’a “Bu temelde ürettiği farklı proteinler için aynı anda iki farklı genetik kod kullanan bir hücreye ulaşıyor” dedi.
İşin özü bile bu değil. Teorik olarak, strateji herhangi bir tasarımcı işlevini hücrelere yoğunlaştırmak için çalışabilir. Konsept bir hücrenin normal yaşam tarzını bozmadığından, ekip bilim insanlarının artık hücrelerin içinde hayat kurtaran ilaçları, biyoyakıtları pompalamak veya yapay fotosentezi kodlamak gibi tamamen sentetik görevleri yerine getiren özel bölmeler tasarlayabileceğine inanıyor.
“Artık hücreleri yeni işlevlerle donatmak için her türden organel tasarlamayı hayal etmeye başlayabiliriz” dediler.
Harvard Üniversitesi’nde sentetik biyolojinin “vaftiz babası”, çalışmaya dahil olmayan SH’ye Dr. George Church, “Bu, hem organel mühendisliği hem de genetik kod mühendisliği için harika bir adım gibi görünüyor” dedi.
Bu, sentetik biyologların doğal yaşamı ilk kez elden geçirmesi değil.
2017’de, Scripps Araştırma Enstitüsü’nden bir ekip, temel DNA kodunu genişletti ve karışıma X ve Y olmak üzere iki harf daha ekledi. Dr. Floyd Romesberg’in öncülüğünü yaptığı ekip, bu doğal olmayan harfleri deşifre ederek, normal olmayan bir hücreyi parlak yeşil renkte aydınlatan karanlıkta parlayan proteinler yapmak için yarı sentetik yaşam formları tasarladı.
Romesberg, “Bu, hayatın işleyişinde yapabileceğimiz en küçük olası değişiklikti ama şimdiye kadarki ilk değişiklik” dedi.
Bu herkese yönelik çabalar şimdiye kadar sadece bizimkinden çok daha basit olan bakteri hücrelerinde işe yaradı. Lemke, “Memeli hücreleri de çok daha karmaşık olduğundan, bu [zarif] yaklaşımı yakın gelecekte daha karmaşık ökaryotik hücrelere nakletmek de kolay olmayacak” dedi.
Ekip, doğrudan DNA koduyla uğraşmak yerine inanılmaz derecede akıllı bir yaklaşım benimsedi: proteinlerden başlayarak ökaryotik hücrelerin kökenlerini özetleyin.
DNA ile tıka basa dolu çekirdeğin içinde bir proteinin doğuşu başlar.
Olağanüstü bir molekül dansı, DNA’nın bölümlerini “okur” ve kodu daha taşınabilir bir versiyona, haberci RNA’ya kopyalar. Mektup taşıyan güvercinler gibi, bu kısa molekül dizileri, tüm protein üretim sürecini başlatmak için gerekli bir orduyu toplamak üzere hücrenin uzak kısımlarına uçarlar.
Yaşam kodunun merkezinde, DNA’nın amino asitlerden inşa edilen proteinlere nasıl “tercüme edildiği” vardır. DNA, üçlü kombinasyonlar halinde düzenlenmiş dört harfe sahiptir; Mors kodu gibi, bu kombinasyonlar da uygun amino asidi protein oluşturma fabrikasına taşıyan çok özel bir “taşıyıcı”, tRNA’yı işe alır. Eşzamanlı olarak, bağımsız yapı taşlarını zincirlere bağlamak için gerekli kimyasal reaksiyonu sağlayan, aynı zamanda belirli bir amino aside göre uyarlanmış, güçlü bir proteini işe alır. Parmaklarımı, bir amino asit Lego bloğunu yakalamama izin veren, bir yandan da Lego proteinini parça parça bastırmak ve oluşturmak için yeterli enerji sağlayan bir tRNA-güç merkezi protein kombinasyonu olarak düşünmeyi seviyorum.
Bu hikayede bir kritik nokta daha var: “durdurma kodonu”. Adından da anlaşılacağı gibi, bu moleküler tuhaflık, tüm protein yapım makinesini önemli ölçüde durdurur. Protein üreten bir fabrikanın ürününü üretmeye devam etmesi için durdurma kodonunun bastırılması gerekir.
Toplamda, hayat bize sadece 20 farklı amino asit verdi. Sentetik biyologlar için, örneğin hücrelerin parlamasına yardımcı olan yenilerini dahil etmek, ihtiyaçlarımıza hizmet eden tamamen yeni organizmalar inşa etmeye yönelik nihai hedeftir.
Organeller
Lemke ve meslektaşları, akıllara durgunluk veren bir problemi çözmeye odaklandılar: Bir hücrenin, tamamen tuhaf doğal olmayan amino asitleri yalnızca belirli bir proteine dahil etmesine ve diğer her şeye değil.
İlhamları stresten geldi. Saçını koparma türü değil, hücrelerin gerçekten sevmediği bir tür kimyasal tetikleyici. Stres altında, birçok hücre, hücre içinde kendi kendine ayrılan stres granülleri adı verilen küçük kümeler oluşturur. Otomatik olarak bir tür organel oluştururlar – hücresel şehrin içinde, hala şehrin diğer bölümleriyle iletişim kuran duvarları olmayan bir varlık.
Biyokimyasal terimlerle, buna “faz ayrımı” adı verilir. Süreç, moleküllerin canlı bir hücrenin kaosu içinde işlevsel, sis benzeri “güvenli evler” olarak bir araya gelmesini sağlar.
Gerilme granüllerinden bileşen eklemek yeterli değildi – ekip ayrıca faz ayrımını daha da tetiklemek için başka bir moleküler ayar daha ekledi.
“Bir yağmur damlasının faz ayrılmasıyla oluştuğu zaman, etrafındaki hava hala nemli kalıyor ve suyun tamamı damlaya gitmiyor, sadece çoğu. Ancak, her iki yaklaşımı birleştirdiğimizde, uzamsal olarak oldukça kısıtlı olan organel benzeri büyük bir yapı elde ederiz ”diye açıkladılar.
Bu anahtardır: faz ayrımı, tüm doğal olmayan protein oluşturan bileşenleri ince organelde ve doğal protein oluşturma mekanizmalarından uzakta yoğunlaştırdı. Ekip, özellikle tek bir mesajcı RNA’yı (yani sonunda tek bir tasarımcı proteini) organele etiketlemek için, moleküler taşıyıcı güvercinin içine “ms2” olarak adlandırılan bir kod parçası ekledi ve bu da tRNA’ları ve diğer bileşenleri yapay organel.
Süreç, esasen doğal olarak evrimleşenlerden tamamen farklı bir organel oluşturdu.
Eğer haberci bir RNA “güvercini” hücresel şehrin içinde kaybolursa, durdurma kodonu devreye girer ve protein oluşumunu bozar. Başka bir deyişle, durdurma kodonu yalnızca yapay organellerin içinde bastırılır ve yapay amino asitlerin belirli bir sentetik proteine dahil edilmesine izin verir. Hücre, başka her yerde doğal olarak herhangi bir yapay, alçakça protein oluşumunu engeller.
Yazarlar, “Memeli hücrelerinde şu ana kadar doğal proteinleri tehlikeye atmadan belirli bir [haberci] RNA seçmek mümkün olmadı” diye açıkladılar.
Yarı Sentetik Yaşam
Beynin ağrıyorsa benimki de ağrıyor. Milyarlarca yıllık evrim sayesinde, moleküler süreçlerin olağan düzeniyle uğraşmak, doğanın tüm güçleriyle düelloya benziyor – bu çok zor.
Ancak Lemke’nin ekibi, diğerlerinin yanı sıra, yeni bir yaşam mühendisliği üzerine kurulu, bunun mümkün olduğunu gösteriyor. Artık evrimin kontrolü altında değiliz; daha ziyade fonksiyonları, gelişmesi çağlar (ve şans) alabilecek hücrelere doğrudan programlayabiliriz.
Sonuçta, evrime hükmetmek yalnızca beş genetik ince ayar gerektirdi: sentetik biyoloji dünyasında, bu çocuk oyuncağı. Biyolojik faz ayrımı anlayışımız büyüdükçe, çok daha rafine, seçici ve doğal hücresel yaşamla uyumlu insan yapımı organelleri 2.0 bekleyebiliriz.
Özel organellerle uğraşmak, bilim adamlarının hayatı yeniden yazmasının yalnızca bir yoludur. Church tarafından yönetilen bir program olan GP-Write, bir gün çoğu virüse karşı dirençli süper hücrelere yol açabilecek daha verimli DNA sentez teknolojileri geliştiriyor.
Romesberg, sonunda, “doğanın bilgiyi şifrelemek için kullandığı doğal sistem hakkında özel bir şey yok” dedi. “Ve eğer bu en samimi yaşam sistemi tasarlanabilir, manipüle edilebilir veya değiştirilebilirse, belki yaşamın kendisi değiştirilebilir veya yeni yaşam formları yaratılabilir.”