Bilgisayarla Yapay Bakteri DNA’sı Yazdılar

Bilim insanları ilk kez bilgisayarla yapay bakteri DNA’sı yazdılar. Yapay DNA kök hücre tedavisi için gen aşısı yapmak, “elektrik yiyen” bakterilerle temiz biyoenerji üretmek ve sentetik biyoloji ile sıcak iklimlerde yetişen buğday geliştirerek açlığı önlemekte kullanılacak. Peki yapay bakteri DNA’sını nasıl yazdık ve yapay yaşam üretmeye ne kadar kaldı?

Yapay bakteri geliyor

Geçen hafta başında biyologlar sentetik biyoloji alanında büyük ilerleme gerçekleştirdiler ve bilgisayarla ilk kez yapay bakteri DNA’sı (genomu) yazdılar. Genom bir organizmanın tüm gen seti demek ve bunun önemine gelince:

Bugüne kadar yapay olarak DNA parçaları ve genler yazıyorduk. Ancak, ilk kez bir canlının tüm gen setini bilgisayarla üretmiş bulunuyoruz. Canlıların genetik kodunu içeren çifte sarmal DNA molekülünü düzenleyerek elde ettiğimiz bu gen setine yapay genom diyoruz. Yine de henüz gerçek bir yapay bakteri üretmedik ama bu hedefe gittikçe yaklaşıyoruz.

Nitekim aşağıda göreceğimiz gibi, bilim insanları yapay DNA için doğal bakteri genomunu baz aldılar ve bunun çok daha az sayıda gen içeren kısa versiyonunu bilgisayarla yazdılar. Neden kısa olduğunu anlatacağım ama önce sentetik biyoloji hakkında bilgi verelim:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Bakteri 2.0

Sentetik biyoloji plastik, metal ve kauçuktan yapay canlı üretmek değildir. Bu nedenle konuyu insana benzeyen robotlarla karıştırmayalım. Ancak, mevcut canlıların genetiğini değiştirerek veya bilgisayar yoluyla doğada bulunmayan yapay genomlar yazarak kanlı canlı yeni organizmalar üretmeye sentetik biyoloji diyoruz.

Bunu nden yapıyoruz derseniz çok sebebi var: Örneğin insanlarda kanseri, diyabeti, kalp-damar hastalıklarını, Alzheimer’ı iyileştirmek ve körlüğü gidermek için kök hücre tedavileri geliştiriyoruz. Bunun için de insan vücuduna gen aşısı yapıp hasarlı DNA’yı düzeltmemiz gerekiyor.

Sentetik biyolojiyle hastalık yapan bakterileri alıp DNA’sını yeniden yazıyor ve onları gen aşısı yapan faydalı bakterilere dönüştürüyoruz. Küresel ısınmaya bağlı iklim değişikliği yüzünden artan sıcakta yetişen GDO buğday üretmek ve böylece sıcak iklimlerde tarımsal üretimi artırıp açlık tehlikesini önlemek için yine sentetik biyoloji kullanıyoruz.

Son olarak sentetik biyolojiyi endüstride kullanıyoruz: İpekböceklerinin DNA’sını değiştirip çelikten sert ve iplikten hafif örümcek ipeği üreterek vinçlerde çelik kabloların yerine kullanmak, ekmek mayasını elimize sürünce parfüm gibi güzel kokmasını sağlamak, bakterilerin ateş böceği gibi ışık saçmasını sağlayarak doğal gece lambası üretmek için yapay DNA yazıyoruz.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Neden gen mühendisliği değil?

Bunun nedeni genetik bilgimizin yetersiz olması: Yapay zeka yazılımları ve DNA sentezleme makinelerini kullanarak doğanın 4,3 milyar yıllık evrim sürecinde türettiği doğal DNA gibi güçlü bir genomu yapay yoldan yazamıyoruz.

Yapay DNA kanserojen olabiliyor. Dahası organizma sakat doğuyor, kısa ömürlü oluyor ve çabuk yaşlanıyor. Oysa mevcut bir bakteriyi alıp biyolüminesans yoluyla gece lambası olarak odada ışık saçmasını sağlamak çok daha kolay. Böylece hem DNA yazmayı öğreniyor, hem temiz biyo-ışık üretiyor, hem de elektrikli lamba kullanmadığımız için küresel ısınmayı yavaşlatıyoruz.

İşte bu bağlamda, Zürih Federal Teknoloji Enstitüsü (ETH Zurich) Deneysel Sistemler Biyolojisi bölümünden Profesör Beat Christen ve aynı kurumun kimya bölümünden Matthias Christen, tatlı suda yaşayan Caulobacter ethensis bakterisinin DNA’sını baz alarak bilgisayarla yapay genom yazdılar: Caulobacter ethensis 2.0.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Yapay bakteri tasarımları

Bilim insanlarının asıl amacı doğal bakteri DNA’sı gibi protein sentezleyen, böylece gelecekte yapay bakterileri yaşatabilecek olan; ama aynı zamanda doğal bakterilerden çok daha az sayıda gen içeren bir DNA yazmaktı.

Böylece sadece Caulobacter ethensis bakterisinin yaşaması için gereken genleri aldılar (minimum genom) ve 4000 bakteri genini 676’ya indirdiler. Bunun dışında, hücre bölünmesinde gen kodlamayan, ama DNA üzerinde gerçek genleri birbirine bağlayan molekül dizilerini de aldılar. Böylece toplam 785 kilobaz gen (785 bin baz çifti) içeren bir yapay genom ürettiler.

Karşılaştırma açısından, insan DNA’sı yaklaşık 3 milyar baz çifti, 46 bin 831 gen ve bunların içinde yaklaşık 20 bin protein kodlayan gen (yaşamak için minimum genom) içeriyor. Zaten biz de bu yüzden sentetik biyoloji kullanıyoruz:

İlgili yazı: Vücut İnterneti ile Beden Hackleme Geliyor

 

Zoraki sentetik biyoloji

Aslında bilim insanları sadece doğal bakteri DNA’sını kısaltarak minimum genoma indirmek istiyordu. Sonuçta kısa genomları kullanarak hangi genlerin kansere yol açtığını bulmak ve bunları gen aşısı ile tedavi etmek çok daha kolay.

Ancak, biyologlar doğal bakteri DNA’sını bilgisayarla kısaltmayı başaramadıklarını gördüler. Bunun sebebi de farklı baz harflerinin (kodon) aynı amino asitleri kodlamasıydı. Peki bakteri DNA’sındaki genleri hangi baz harfleri kodluyordu? Bunu sadece doğal DNA’ya bakarak anlamaları imkansızdı.

Böylece bilgisayara başvurdular. Bilgisayar da gen simülasyonu yazılımları kullanarak potansiyel kodonlardan yarısını elimine etti ve bakteri DNA’sında minimum genomu oluşturan 676 geni kendi tahmin ettiği baz harfleriyle kodladı.

Yapay bakteri işe yaradı mı?

Evet. 4000 genlik tam gen setini yapay yoldan kodlamak yerine, sadece 676 geni kodlayan biyologlar genlerdeki zararlı mutasyonları önlediler. Böylelikle özet DNA içeren Caulobacter ethensis 2.0 bakterisi var olsaydı, bu bakterinin en azından laboratuarda çoğalmasına izin verecek olan bir yapay genom ürettiler. Ancak bunu anlamak için epigenetik ve genetik arasındaki farkı görmemiz lazım:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Epigenetik faktörler

Sonuçta Caulobacter ethensis’in 4000 genden oluşan tam genomu, doğada gen sayısını gereksiz yere artıran evrimsel bir israf değil: DNA’daki bazı harfler bizzat genleri kodlarken, diğerleri ise bu genlerin hangi şartlarda aktive olacağını ve ne kadar etkili olacağını kodluyor.

Biz de genlerin yapısal planına genetik ve çalışma planına da epigenetik diyoruz. Epigenetik; bir canlının hastalıklara, sıcağa-soğuğa ve hızla değişen diğer ortam şartlarına kısa sürede adapte olmasını sağlıyor. Yararlı mutasyon geçirme şansını da artırarak evrim sürecine katkıda bulunuyor.

Öte yandan, biyologlar gerçek bir bakteri üretmek yerine, gen tedavisinde kullanmak üzere yapay DNA yazma tekniklerini geliştirmek istiyor. Bunun için de doğal genomdaki epigenetik dizileri protein kodlayan genlere zarar vermeden silmeleri gerekiyor.

Oysa doğal genoma sadece insan gözüyle bakar ve epigenetik dizileri tahmin yoluyla silmeye kalkarsak DNA’yı kısaltmak yerine genoma hasar verebiliriz. O zaman da elimizde gerçekten çalışan bir yapay DNA kalmaz. Bilim insanları bunun için bilgisayara başvurdular.

İlgili yazı: Mikro Kara Delikler Karanlık Madde Değil

 

Yapay zekadan yardım aldılar

Biyologların işini zorlaştıran bir nokta da 4000 genlik doğal genomdaki bütün harf dizilerini tanımıyor olmamızdı. Yukarıda belirttiğim gibi, farklı harf dizileri aynı genleri kodlayabiliyor. Biz de bu yüzden DNA’daki hangi dizilerin epigenetik diziler ve hangilerinin de protein kodlayan genetik diziler olduğunu bilemiyorduk. İşte bu yüzden DNA’yı sadeleştirmek için yapay zeka kullandık.

Sonuç olarak yapay zeka kendi gen analizini yaparak ve kendi tahminlerini yürüterek bakteri DNA’sındaki epigenetik kodları genetik kodlardan ayırdı. Aslında orijinal DNA üzerindeki 120 bin nükleotid üzerinde değişiklik yaptı ve gereksiz olduğuna karar verdiği harf dizilerini silerek sadece protein kodlayan genlerden oluşan kısaltılmış bir genom sentezledi.

Böylece biyologlar yeni genomu laboratuarda 3-4000 baz çiftinden oluşan kısa diziler halinde sentezlediler. Sonra bunları birleştirerek bağlantı molekülleriyle birlikte toplam 785 bin baz çiftinden oluşa yapay genomu ürettiler.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Yapay bakteri test edildi ve onaylandı

İsviçreli araştırmacılar yeni genomu bilgisayar simülasyonu ile test ettikleri zaman en azından laboratuarda çalışacağını gördüler:

Evet, 4000 yerine 676 genden oluşan minimum genomu çekirdek DNA’sı çıkarılmış bir bakteriye yerleştirerek Caulobacter ethensis 2.0 üretselerdi, epigenetik adaptasyon yeteneğinden yoksun bu bakteri doğada fazla yaşamazdı. Ancak, en azından kontrollü laboratuar ortamında yaşardı.

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Yapay bakteri neden büyük başarı?

Aslına bakarsanız bunun sentetik biyoloji açısından büyük başarı olmasının temel sebebi yukarıda anlattığım teknik detaylar değil. Asıl sebebi eskiye göre çok daha hızlı ve ucuz olarak DNA sentezliyor olmamız.

11 yıl önce bilim insanları başka bir bakterinin DNA’sını yapay olarak sentezlediler; ama bunun için 20 genetik bilimcinin 10 yıl çalışması ve 40 milyon dolar harcaması gerekti. Üstelik yapay DNA yazmadılar. Sadece mevcut genomu makinede kopyaladılar.

Oysa bu kez bakteri genomunu yapay zeka ile kısalttık, baştan yazdık ve sentezledik. Hem de sadece 1 yıl içinde, 13 genetikçiyle ve 120 bin dolar harcayarak başardık. İşin acemisi olmamıza karşın yapay genom yüzde 81,5 oranında doğru çalıştı ve ilk deneme için bu harika oldu.

Kaybın nedeni

DNA’nın yüzde 18,5 oranında hatalı olmasının nedeniyse genetikçilerin önemsiz olduğunu düşündüğü genlerin aslında protein kodlayan genler olmasıydı. Bundan sonraki aşama ise yüzde 99 oranında doğru çalışan yapay genom tasarlayıp tümüyle sağlıklı yapay bakteriler üretmek.

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

 

Peki neden?

Sentetik biyoloji araştırmalarını kök hücre tedavisi geliştirmenin, küresel açlığı önlemek için küresel ısınmaya dayanıklı tahıllar türetmenin ve organik parfümler üretmenin ötesinde de kullanabiliriz. En basitinden:

1) Böcek ilaçlarına dayanıklı bitkiler yerine, böcek ilacının öldürdüğü haşereye dayanıklı olan bitkiler üretebiliriz. Örneğin, elmalarda daha az böcek ilacı kullanırız ve böcek ilaçlarındaki kimyasal maddelerin, otuz yıllık ömründe çok sayıda elma yiyen insanlarda birikimli olarak kanser riskini artırmasını önleriz. Kısacası GDO tekellerinin belini kırarız.

2) İlaç şirketlerinin kimyasal yollarla pahalı ilaçlar üretmesinin önüne geçeriz. Bunun yerine, herkesin bünyesine uygun özel ilaçları genetiği değiştirilmiş bakterilerin içinde üretiriz. Hatta yanal gen transferine dayalı zararlı mutasyon riskini önlersek bu bakterileri insanlara enjekte edebiliriz. Onlar da her yıl vücudunda yeni grip aşıları üreterek gribe ömür boyu bağışıklı olabilirler.

İlgili yazı: Ahtapot DNA’sı Uzaylı mı?

 

Yapay bakteri ve salgın hastalıklar

Ancak, bakterilerin zararlı mutasyonlar geçirerek dünya nüfusunun yüzde 99’ını öldürecek bir süper veba yaratmasını da önlemeliyiz.

Ayrıca insanlarda kanseri iyileştirmek yerine daha çok kanser tetiklemesi tehlikesini önlemeliyiz. Kısacası yapay bakterilerin insan vücudunda, laboratuarda, havada ve suda DOĞAL yollardan mutasyon geçirerek tehlikeli hastalıklara yol açmasına engel olmak zorundayız.

İlgili yazı: DNA’da gizli veri katmanı epigenetik kod

 

Hastalık demişken

Sentetik biyolojinin ölümcül biyolojik silahlar geliştirmekte kullanılmasına mani olmamız gerekiyor. Neyse ki devletler bakterilerin genetiğini değiştirmeyi yasalarla sınırlandırıyor. Hatta o kadar sıkı düzenlemeler yapıyor ki çoğu zaman sentetik biyolojinin gelişmesini baltalıyor.

Bunun dışında sentetik biyoloji ile geliştirdiğimiz bakterileri, laboratuar dışında yaşamasını önleyecek genetik değişikliklere uğratıyoruz. Örneğin, sadece laboratuarda bulunan özel bir şekerle beslenecek şekilde dizayn ediyoruz. Böylece deyim yerindeyse pencereden kaçsalar bile bahçede çoğalamıyorlar.

Yine de gelecekte sentetik biyoloji teknikleriyle üretilecek olan yapay bakterilerin doğada tehlikeli bir mutasyon geçirme şansı her zaman var. Bu da insanları etkileyen bir hastalık olmasa da buğday kıran, besi hayvanlarını öldüren ve böylece ekolojik dengeyi bozan başka bir salgın hastalık olabilir.

İlgili yazı: Bilim İnsanları DNA Üzerine Veri Depoladı

 

Etik davranmalıyız

Genetik bilimciler bugüne dek standart tıp etiği çerçevesinde hareket ettiler. Ancak, gelecekteki sağlık risklerini önlemek için yeni yasal düzenlemeler gerektiğini kendileri de ifade ediyorlar. Bu konudaki en büyük risklerden biri de genetiği değiştirilmiş süper insanlar yaratmak.

Bunlar normal insanlardan daha hızlı koşan süper atletler veya süper zeka dehaları olabilir. Her durumda GDO insanlar toplumda yeniden genetik ırkçılık başlatarak Hitler’in ari ırk kabusunu geri getirebilir. Bunun için de sentetik biyolojinin gen tedavisi ve beden hacklemede doğru kullanılmasına dikkat etmemiz gerekiyor.

Siz de bu riskleri değerlendirmek ve insanlığın genetik geleceğini görmek için Aşkın İnsan Üstün İnsana Karşı yazısını okuyabilir ve süper zeka aynı zamanda süper ahlaklı olur mu sorusunun cevabını arayabilirsiniz. Bu arada, sentetik biyoloji ürünü olan yapay yaprak ve biyonik bitkilerle insanlığın temiz enerji ihtiyacını nasıl karşılayacağımıza da ayrıca göz atabilirsiniz. Keyifli Pazarlar.

Sentetik yaşam

¹Chemical synthesis rewriting of a bacterial genome to achieve design flexibility and biological functionality