Beyinlerimiz, sıklıkla bilgisayarlarla kıyaslanır, ancak, vücudumuzdaki milyarlarca hücre daha iyi bir kıyaslama olabilir. Bu süngerimsi yapışkan madde, sert, katı fişlerden ve demetlenmiş tellerden ne kadar farklı olsa da, hücreler verileri alıp, bunları karmaşık mantık kapıları serisinden geçirip, istenen programlanmış çıktılar yaratmakta uzmandır.
İnsülini üreten ve saklayan pankreastaki beta hücrelerini ele alın… Kan şekerinde büyük bir artış tespit ettiklerinde insülin salarlar, yoksa da salmazlar. Her bir hücre, bu tür komutlarla birbirine bağlanır, ve bizim (organizmanın) normal çalışmamıza izin verir.
Hücresel işlemlerin bu devre şeklindeki doğası, kullanışlı bir metafor değildir. Yaklaşık 50 yıl önce, bilim insanları merak etmeye başlamışlardı: Bu algoritmaların ardında işleyen organizmanın sistemini ele geçirip, hücreleri yeniden programlayabilsek ne olur?
Boston Üniversitesi’nden Dr. Wilson Wong liderliğindeki bir ekip, bir insan hücresinin işletim kılavuzunu (genetik koduna) doğrudan hackleyerek(saldırarak), ve onu 100’den fazla farklı mantıksal operasyon setine uyması için sentetik biyolojik devrelerle geliştirip, zenginleştirerek, yaşamın tek programcısı olan doğayı etkin bir şekilde kökten değiştirmeyi başardılar.
Bu hücreler hemen kullanılmamasına da rağmen, geliştirilen araçlar, büyük olasılıkla evrimle ilgilenen diğer hevesli biyomühendislere fayda sağlayacaktır ve bu çalışma, sentetik biyoloji için çok büyük şeyler vaad etmektedir.
Bu araştırmada yer almayan Boston Üniversitesi’nden Dr. Ahmad Khalil ve James Collins şunları söylüyor: “Bu yeniden tasarlanmış organizmalar, önümüzdeki yıllarda hayatımızı değiştirerek ve ilaçların dah ucuz olmasına, “yeşil” araçlara yakıt ihmali sağlamamıza ve süper böceklerin (antibiyotiklere dirençli bakteri) saldırısında ve kanser gibi hastalıkların tedavisinde kullanılabilir.
Yaşamı Hacklemek
Prestijli bir dergi olan Nature Biotechnology’de yayınlanan bu çalışma, hücrelerimizi küçük, güçlü mikrobilgisayaralara dönüştürmeyi amaçlayan on yıllarca süren araştırmalar üzerine kurulmuştur.
Johns Hopkins Üniversitesi’nden bilgisayımsal biyolog olan Dr. Joel Bader: “ Birçok sentetik biyoloji bu fikirle motive olmakta. Eğer sadece onu kurup, yapabilirseniz, anlayabilirsiniz de…”
Pek çok çalışma, nispeten basit devrelere sahip olmasından dolayı, bakteriler ve fırın mayası üzerinde yapılmaktadır. Bir kaç yıl önce, bilim insanları, mayanın metabolik yolları ile bağlantı kurarak, şekerden sıtmaya karşı ilaçlar üretmek için kullanılan bir molekül tasarladırlar. Diğer ekipler, karbon diyoksiti sıvı yakıtlara dönüştüren bakteriler yaptılar ve böylelikle aslında yapay fotosenteze yol açılmış oldu.
Bilim insanları, iki sentetik gen devresini birbirine bağlayarak, bakteri gruplarının basit hesaplamalar yapmalarını sağladılar.
Ancak bu başarılarının memeli hücrelerinde de sağlanması oldukça zor bir konudur. Özünde sentetik biyoloji,bir organizmanın DNA’sını kesen, birleştiren veya başka şekilde manipüle eden moleküler araçlar kullanır. Ne yazık ki, bakteri ve mayanın genomuna yapılan müdahele, memeli hücrelerinde faydasız olmaktadır. Daha da ötesi, bir geni hedeflemek yeterli değildir. Bilim insanları yeni genetik biyodevreleri programlamak için, sıklıkla bir düzine genin faaliyetini düzenlemeye ihtiyaç duyarlar: bazılarını kapatıp, diğerlerini yükseltirler. İşlerin planlandığı gibi çalışması için, sistemin her bileşeni etkin ve uyumlu, senkronize şekilde çalışmalıdır.
Bilim insanları bunu, geleneksel olarak, transkripsiyon faktörleri diye adlandırılan bir protein ailesi (DNA’ya bağlanan ve proteinlerin içine yeniden kodlanıp kodlanmadığına dair DNA ifadesini düzenleyen) ile yapmaya çalıştılar.
Fakat, bu faktörlerin hepsi biraz farklı davrandığı için bir kerede çoklu faktör kullanmayı zor hale getirmektedir. Wong, bu durum için şunu söylemekete: “Bundan dolayı da, çoklu girdi devreleri ve çoklu çıktılar nadir olur.”
Wong ve ekibi, bu problemleri ortadan kaldırmak için, çok kuvvetli moleküler çoklu araç olan DNA rekombinazlarına yöneldiler. Bu DNA rekombinazyonları, DNA ipliğindeki belirli dizilere bağlanırlar ve herhangi açık uçlara (“rekombine” DNA parçalarına) kesme ve dikme, yapıştırma yaparlar.
Bu tıpkı filmdeki bir videoyu düzenleme gibidir: sahneleri silmek veya eklemek için film yapımcısı fiziksel olarak filmi kesip, ek parçalar ekler ve herşeyi tekrar biraraya getirir.
Bu yolla, bilim insanları bir proteinin üretilip, üretilmediğini kontrol edebilirler: DNA rekombinazları aktif hale geldiğinde, bir geni koparıp atar ve protein kopar gider. Aksi halde, hücre, proteini her zamanki gibi yapar. İkili sistemin biyolojik eşdeğeri, en basit mantıksal işlemler (NOT kapısı: bilgisayar kavramı: DEĞİL kapısı. Mantıksal devre tasarımında kullanılan bir kapı örneğidir. Basitçe bir değerin tersini almaya yarar) gerçekleştirir.–bir şey olursa, hiç bir şey yapma.
Şimdiye kadar bir Arduino (bir G/Ç kartı ve Processing/Wiring dilinin bir uygulamasını içeren geliştirme ortamından oluşan bir fiziksel programlama platform) ile uğraştıysanız, muhtemelen bir devre kurmanın en basit yolunun çıktı olarak bir ampüle sahip olması gerektiğine hem fikir olursunuz. Sentetik biyoloji de, tüm karmaşıklığı ile aynısıdır.
Çalışma ekibinin kullandığı “ampül” aslında UV ışığının yeşil renkte parlaklaşan bir proteini kodlayan bir gen parçasıdır (snippet) ve buna “yeşil florasan protein” ya da GFP denir. Normalde bir hücre, protein yapar ve kendisini parlaklaştırır. Ekip, NOT kapısını (bilgisayar kavramı:DEĞİL kapısı. Mantıksal devre tasarımında kullanılan bir kapı örneğidir. Basitçe bir değerin tersini almaya yarar) oluşturmak için, GFP geninden (“burada dur” şeklindeki genetik versiyon olan sonlandırma dizisi) önce bir başka gen talimatı-komut ekler.
Ekip, devrelerini daha karmaşık hale getirmek için, “eğer-öyleyse” komutu eklerler ve Sonlandırma sekansını kesebilecek DNA rekombinaz üretirler ancak bu sadece bir ilacın içinde mevcut olabilir.
Hücre ilacı algılamadığında, DNA rekombinaz aktif olma, sonlandırma dizisi-sekansı yerinde kalır ve hücre saydam ve renksiz olur. Eğer ilaç eklenirse, rekombinaz harekete geçer ve “NOT kapısı”nı keser. Peki çıktı ne olur?.. Çıktı olarak hücresel “ampül” yanar.
Parlayan bir hücre önemsiz gibi görünse de, bilim insanları, kanser, HIV veya diğer hastalıkların biyolojik belirteçlerini tespit ettiğinde yanan hücre yapabilirler. Wong, bir hastanın kan hücrelerinin tasarlanıp yapılmış olan hücrelerle karıştırılabilineceğini ve anında okunacağını (teşhisler için gereken mevcut pahalı makinelere alternatif, daha ucuz ve daha hızlı) söylemekte.
Ekip, basit devrelerle yetinmeyip, insan böbreği ve bağışıklık hücrelerinde 113 devrenin inşaasına başlar. Şaşırtıcı bir şekilde, bu devreler, %96.5’lik bir kesinlikle, daha fazla optimizasyona gerek duymadan amaçlandığı gibi çalır. Bu oldukça etkileyici. Çünkü, biyolojik araçlar son derece hassas olabilmektedir. Wong: “Genetik devreleri oluştururken edindiğim şahsi tecrübelerime göre, bu devreler %25 oranında çalışırsa, şanslı sayılırsınız.”
Ekip, yeni aletlerine kolayca akılda kalacak bir isim verirler: Boolen mantığı ve DNA eksizyon (kesip çıkarma) aritmetiğinin kısa yazılışı olan: “BLADE”.
BLADE, sadece Boolean mantığında iyi bir yenilik değildir. Ayrıca, büyük ölçekli biyolojik devreleri tasarlamanın bir yoludur. Böylelikle, bilim insanları da güvenli bir şekilde hücrenin faaliyetini kontrol edebilir.
Wong, şimdiden yani aleti için bir proje bulmaya çalışıyor ve daha çok da rejeneratif tıpa yönelmiş durumda. İlgi çekici olan konu da; Kök hücrelerinin çoğu (hepsi olmasa da) hücre çeşidine dönme yeteneği olsa da, aslında ne olacakları, onları belirli bir kadere iten bir dizi gen grupları tarafından belirlenir.
BLADE ile bilim insanları, kök hücrelerinin içine karmaşık “eğer-öyleyse” sistemleri dizayn edebilirler. Örneğin; bir set “eğer” koşulları bir hücreyi (mesela bir nöronu) kaderine iterken, diğerleri de o hücreyi, insülin üreten beta hücrelerine dönüşmesi için tetikleyebilir.
BLADE, ayrıca, kanser terapisine de destek verebilir. Bilim insanları zaten kanserin biyolojik belirteçlerini tespit edebilen, özellikle kanser hücrelerini hedef alan bağışıklık hücreleri tasarlamaktadır. Bu hücrelere ek biyolojik devreler programlamak, onları daha kapsamlı, çok yönlü yapabilir ve onlara daha çok kontrol sağlayabilir.
Örneğin; “AND Kapı”ları (Bilgisayarda “VE” Kapısı: 2 farklı önermenin aynı anda gerçekleşmesi durumunu inceleyen kapı), bağışıklık hücrelerini, birden fazla kanser markörü saptadığında harekete geçmesini sınırlayarak, daha fazla kayıp ve yan etkiyi azaltabilir.
Halâ katedilecek çok yol olmasına rağmen, bilim insanları umutlu. Khalil ve Collins:“Bu alandaki teknik zorlukları çözmeye devam edersek, gün geldiğinde geriye sadece araştırmacıların hayâl gücü ve sentetik biyolojinin çözebileceği toplumsal sorunlar ve başvurular ile sınırlanmamız kalabilir.”
Bir şey çok net ve açık: Sentetik biyoloji ile doğanın kurallarına artık uymak zorunda değiliz.
English translation
Our brains are often compared to computers, but in truth, the billions of cells in our bodies may be a better analogy. The squishy sacks of goop may seem a far cry from rigid chips and bundled wires, but cells are experts at taking inputs, running them through a complicated series of logic gates and producing the desired programmed output.
Take beta cells in the pancreas, which manufacture and store insulin. If they detect a large spike in blood sugar, then they release insulin; else they don’t. Each cell adheres to commands like these, allowing us—the organism—to operate normally.
This circuit-like nature of cellular operations is not just a handy metaphor. About 50 years ago, scientists began wondering: what if we could hijack the machinery behind these algorithms and reprogram the cells to do whatever we want?
Now, a team of scientists led by Dr. Wilson Wong at Boston University directly hacked a human cell’s operating guide—its genetic code—and enhanced it with synthetic biocircuits that allowed it to obey over 100 sets of different logical operations, effectively uprooting nature as the sole programmer of life.
Although these cells don’t have any immediate use, the tools developed will likely benefit other bioengineers eager to tinker with evolution. And the promises of synthetic biology are great.
“These re-engineered organisms will change our lives over the coming years, leading to cheaper drugs, ‘green’ means to fuel our cars and targeted therapies for attacking ‘superbugs’ and diseases, such as cancer,” wrote Drs. Ahmad Khalil and James Collins at Boston University, who were not involved in the study.
Hacking life
The work, published in the prestigious journal Nature Biotechnology, builds on decades of previous research that aims to turn our cells into tiny, powerful microcomputers.
“A lot of synthetic biology is motivated by this idea that…you only understand something if you can build it,” says Dr. Joel Bader, a computational biologist at Johns Hopkins University who was not involved in the study.
Because of their relatively simple circuitry, most work has focused on bacteria and baker’s yeast. A few years ago, scientists tinkered with the yeast’s metabolic pathways and engineered it to produce a molecule used to make anti-malaria drugs from sugar. Other teams have made bacteria that convert carbon dioxide into liquid fuels, essentially paving the way for artificial photosynthesis. Scientists have even managed to link together two synthetic gene circuits, allowing teams of bacteria to carry out simple computations.
But extending these successes to mammalian cells has been extremely challenging. At its core, synthetic biology uses molecular tools that snip, fuse, block or otherwise manipulate an organism’s DNA. Unfortunately, the ones used to tinker with a bacteria or yeast’s genome is useless in mammalian cells.
What’s more, targeting one gene isn’t enough. To program new genetic biocircuits, scientists often need to regulate the activity of a dozen genes: amping some up while shutting others down. For things to operate as planned, each component of the system has to work effectively and in sync.
Scientists have traditionally tried to do this with a family of proteins called transcription factors, which bind to DNA and regulate its expression—that is, whether or not it gets recoded into proteins. But all of these factors behave a bit differently, making it tough to use multiple factors at once.
Because of this, “circuits with multiple inputs and multiple outputs remain scarce,” explains Wong.
Biological Boolean
To get around these problems, Wong’s team turned to a powerful molecular multi-tool: DNA recombinases, which bind to specific sequences on a DNA strand, make a cut and stitch up any open ends (“recombine” DNA pieces).
It’s like editing a video on film: to delete or add scenes, the filmmaker needs to precisely cut the physical film, toss or insert additional bits and tape everything back together.
In this way, scientists can control whether or not a protein is produced: when the DNA recombinase becomes active, it chops away a gene—and voila, no protein; otherwise, the cell makes the protein as usual. It’s the biological equivalent of a binary system, performing the simplest of logical operations—a NOT gate (if something happens, don’t do something).
If you’ve ever played around with an Arduino, you’d probably agree the simplest way to build a circuit is to have a light bulb as output. Synthetic biology, for all its complexity, is the same.
The “light bulb” that the team used is actually a gene snippet that encodes a protein that glows green under UV light, called green fluorescent protein, or GFP. Normally a cell would happily make the protein and itself glow. To build their NOT gate, the team added another gene instruction before the GFP gene—a termination sequence, which is the genetic version of “stop right there!”
To make their circuit more complex, the team added an if-then command. Here’s how it worked: they made a DNA recombinase that can snip away the termination sequence, but only when it’s in the presence of a drug.
When the cell doesn’t sense the drug, the DNA recombinase is inactive, the termination sequence stays in place and the cell remains translucent and colorless. If a drug is added, then the recombinase jumps into action and cuts away the NOT gate. Output? The cellular “light bulb” comes on.
While a glowing cell may seem trivial, scientists can engineer cells to light up when it detects biomarkers for cancer, HIV or other diseases. As Wong explains, you can mix a patient’s blood sample with engineered cells and instantly get your readout—a much cheaper and faster alternative to current diagnostics that require expensive machines.
Not content with simple circuits, the team went on to construct 113 circuits in human kidney and immune cells. A staggering 96.5 percent of them worked as intended without needing further optimization, which is quite impressive because biological tools can be extremely finicky.
“In my personal experience building genetic circuits, you’d be lucky if they worked 25 percent of the time,” says Wong.
BLADE in action
The team dubbed the new tool with a catchy name, BLADE, which stands for “Boolean logic and arithmetic through DNA excision.”
But BLADE isn’t just a novelty tool only good at Boolean logic. What it offers is a way to design large-scale biological circuits, so that scientists can reliably control the actions of a cell.
Wong is already at work finding a project for his new tool, and he has his eyes on regenerative medicine. Although stem cells have the ability to turn into most (if not all) cell types, what they actually become is determined by the set of genes that push them towards a certain fate.
With BLADE, scientists could design complex if-then systems into stem cells, where one set of “if” conditions pushes the cell towards one fate (say, a neuron), while others trigger it to turn into insulin-producing beta cells.
BLADE can also give cancer therapy a boost. Scientists are already engineering immune cells that can detect cancer biomarkers and specifically target cancer cells. Programming additional biocircuits into these cells could give them even more sophistication and control: for example, AND gates would limit the immune cells to only spring into action when they detect multiple cancer markers, further lowering casualties and side effects.
Although there’s still a ways to go, scientists are hopeful. If we keep addressing the technical challenges in the field, one day we will only be limited “by the imagination of researchers and the number of societal problems and applications that synthetic biology can resolve,” says Khalil and Collins.
One thing is clear: with synthetic biology, we no longer have to play by nature’s rules.