2020 Nobel Kimya Ödülü Genom Düzenleme Yöntemine

Konu: Biyoloji – Kimya

Okuma Süresi: ~15 dk.

2020 Nobel Kimya Ödülü (7 Ekim 2020),’ genom düzenleme yöntemini geliştiren Emmanuelle Charpentier (solda) ve Jennifer A. Doudna (sağda) arasında paylaşıldı. Nobel ödülleri tarihinde sadece kadın bilim insanları tarafından paylaşılan bir ödül bulunmamaktaydı. Dolayısıyla ödülün sadece kadınlar arasında paylaşıldığı ilk ödül olarak tarihe de geçmiş oldular.

J.D Watson ve F.H.C Crick 1953 yılında DNA’nın moleküler yapısını ortaya koyan makaleyi yayınladılar. O zamandan bu yana, bilim insanları organizmaların ve hücrelerin genetik materyalini değiştirebilmek için yeni yöntemler, teknolojiler geliştirmeye çalıştılar. RNA-rehberli CRISPR-Cas9 sisteminin keşfedilmesiyle basit ve etkili genom mühendisliği yöntemi artık gerçeğe dönüştü. Bu teknolojinin gelişimi bilim insanlarına hücrelerden organizmalara geniş bir yelpazede DNA dizilerini değiştirme olanağı sağladı. Genom üzerindeki değişikler artık deneysel bir darboğaz değil. Bugün, CRISPR-Cas9 teknolojisi temel bilimlerde, biyoteknolojide ve gelecekteki tedavilerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır.

Genetik Makas: Yaşamın kodunun tekrar yazılması için bir araç

Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna gen teknolojisinin en keskin araçlarından birini, CRISPR/Cas9 genetik makasını keşfederek 2020 Nobel Kimya ödülünü kazandılar. Araştırmacılar bunu hayvanların, bitkilerin ve mikroorganizmaların DNA’sını son derece yüksek duyarlılıkla değiştirmek için kullanabilecekler. Bu teknoloji bitki ıslahına yeni fırsatlar getirmesiyle, yenilikçi kanser terapilerine katkısıyla ve kalıtsal hastalıkları tedavi etme hayalini gerçekleştirmesi açısından moleküler biyolojide bir devrim niteliğindedir.

Bilimin çekici yönlerinden birisi de tahmin edilemez oluşudur. Bir düşüncenin veya bir sorunun nereye varacağını asla önceden bilemezsiniz. Bazen meraklı bir akıl, çıkmaz bir yolla karşılaşır, bazen de dolaşması yıllar alan dikenli bir labirent ile karşılaşır. Ancak zaman zaman anlatılmamış bir olasılığın ufkuna (dik dik) bakan ilk kişi olduğunuzu fark edersiniz.

CRISPR_Cas9 adlı gen editörü nefes kesici potansiyele sahip beklenmeyen bir keşiftir. Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna Streptococcus bakterisinin bağışıklık sistemini araştırmaya başladıklarında, fikirlerinden biri belki de yeni bir antibiyotik formunu geliştirebilecekleriydi. Ancak bunun yerine genetik materyalde hassas kesmeler yapmak için kullanılabilen, yaşamın kodunu kolaylıkla değiştirmeyi mümkün kılan moleküler bir araç keşfettiler.

Şekil 1. Araştırmacılar genetik makası kullanarak hemen hemen tüm canlıların genomunu düzenleyebilirler.

Herkesi etkileyen güçlü bir araç

Bu keşiften sadece sekiz yıl sonra, bu genetik makas yaşam bilimlerini yeniden şekillendirdi. Biyokimyacılar ve hücre biyologları şimdilerde farklı genlerin işlevlerini ve bunların hastalığın ilerlemesindeki olası rollerini kolayca inceleyebiliyorlar. Bitki ıslahında, araştırmacılar bitkilere sıcak iklimlerde kuraklığa dayanabilme yeteneği gibi spesifik özellikler verebiliyorlar. Tıpta bu gen editörü, yeni kanser terapilerine ve kalıtsal hastalıkları iyileştirmek için yapılan ilk çalışmalara katkıda bulunuyor.

CRISPR-Cas9’un etik olmayan uygulamaları da içeren neredeyse sonsuz sayıda kullanılabileceği örnekleri vardır. Tüm güçlü teknolojilerde olduğu gibi, bu genetik makasların hakkında da yasal düzenlenmeler yapmak gerekir.

2011’de ne Emmanuelle Charpentier ne de Jennifer Doudna, Porto Riko’da bir kafedeki ilk buluşmalarının hayatlarını değiştiren bir karşılaşma olduğu hakkında hiçbir fikirleri yoktu. Başlangıçta iş birliklerini öneren Charpentier’in çalışmalarından bahsederek başlayacağız.

Charpentier patojenik bakterilere kendini kaptırıyor

Bazı insanlar Charpentier’ı kararlı, özenli ve titiz olarak tanıtıyor. Diğerleri ise onun için her zaman beklenmeyeni aradığını söylüyor. Kendisi Louis Pasteur’den “Şans hazırlıklı akıldan yanadır” alıntısını yapar. Yolunu, yeni keşifler yapma dürtüsü, özgür ve bağımsız olma arzusu yönlendirdi. Paris’deki Pasteur Enstitüsü’ndeki doktora çalışmaları dahil, beş farklı ülkede, yedi farklı şehirde yaşamış ve on farklı enstitüde çalışmıştır.

Çevresi ve yaklaşımları değişmesine rağmen araştırmalarının çoğunluğunun ortak bir paydası vardır: Patojenik bakteriler. Neden bu kadar saldırganlar? Antibiyotiklere karşı nasıl direnç geliştirirler? Ve gelişmelerini engelleyecek yeni tedaviler bulmak mümkün müdür?

Emmanuelle Charpentier Viyana Üniversitesinde kendi çalışma grubuyla 2002’de çalışmaya başladığında insanlığa en büyük zararı veren bir bakteriye; Stretococcus pyogenes’e odaklandı. Her yıl milyonlarca insana bulaşan bu bakteri genellikle empetigo ve bademcik iltihabı gibi kolaylıkla tedavi edilebilen enfeksiyonlara neden olur. Fakat, aynı zamanda yaşamı tehdit eden kan zehirlenmesine de neden olur ve ona ‘et yiyen’ şöhretini kazandıran yumuşak dokuyu bozar.

pyogenes’i daha iyi anlamak için, Charpentier bu bakterinin genlerinin nasıl düzenlendiğini derinlemesine araştırmaya başladı. Bu karar genetik makasın keşfi yolunda atılmış ilk adımdı – bu yolda ilerlemeden önce Jennifer Doudna hakkında daha fazla şey öğreneceğiz. Çünkü Charpentier S. pyogenes hakkında ayrıntılı çalışmalar yaparken, Doudna – ilk kez- “crisper” kelimesinin söylenmesine benzediğini düşündüğü bir kısaltma duyar.

Bilim – Macera olduğu kadar polisiye hikâye

Hawai’de büyüyen bir çocukken bile Jennifer Doudna bir şeyleri öğrenmek için güçlü bir dürtüye sahipti. Bir gün babası James Watson’ın ‘Çift sarmal’ kitabını onun yatağına bıraktı. James Watson ve Francis Crick’in DNA molekülünün yapısını nasıl çözdüğünü anlatan bu polisiye tarzı hikâye onun okul kitaplarında okuduklarına hiç benzemiyordu. Bilimsel süreçler onu büyüledi ve bilimin gerçeklerden daha fazlası olduğunu fark etti.

Ancak, bilimsel gizemleri çözmeye başladığında, ilgisi DNA üzerine değil onun moleküler kardeşi RNA üzerineydi. 2006’da –onunla tanıştığımızda– o Berkeley ‘deki Kalifornia Üniversitesi’ inde bir araştırma grubuna liderlik ediyordu ve RNA ile yirmi yıllık çalışma deneyimine sahipti. Çığır açan projeler için sezgisi güçlü olan başarılı bir araştırmacı ününe sahipti ve son zamanlarda heyecan verici yeni bir alana girdi: “RNA Girişimi (interferaz)”.

Uzun yıllar boyunca, araştırmacılar RNA’nın temel işlevini anladıklarına inanıyorlardı, fakat aniden hücrelerdeki gen aktivitesini düzenlemeye yardım eden çok sayıda küçük RNA molekülleri keşfettiler. Jennifer Doudna’nın RNA girişimi alanına dahil olması 2006’da farklı bir bölümdeki meslektaşından telefon almasıydı.

Bakteriler atasal bir bağışıklık sistemi taşırlar

Douna’nın mikrobiyolog meslektaşı ona yeni bir keşiften bahseder: araştırmacılar arkealarda (bir tür ilksel mikroorganizma) olduğu gibi çok farklı bakterilerin genetik materyallerini karşılaştırdığında, şaşırtıcı derecede iyi korunmuş tekrarlı DNA dizileri bulurlar. Aynı kod sürekli ortaya çıkar ancak tekrarlar arasında farklılık gösteren eşsiz diziler vardır (bkz. şekil 2). Bu, bir kitaptaki her bir eşsiz cümle arasında tekrar eden aynı kelime gibidir.

Bu tekrarlı dizilerin sıralanışına, kısaltması CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) olan düzenli aralıklarla kümelenmiş kısa palindromik (bir dizinin her iki ucundan da okunduğunda birbirinin aynısı olmasıdır) tekrarlar denir. İlginç olan CRISPR deki eşsiz, tekrarlı olmayan dizilerin çeşitli virüslerin genetik koduyla eşleşiyor gibi görünmesidir, bu nedenle güncel düşünce, bunun bakteriyi ve arkeayı virüslerden koruyan atasal bağışıklık sisteminin bir parçası olduğudur. Bu hipoteze göre, eğer bir bakteri bir virüs enfeksiyonundan kurtulup hayatta kalabilirse virüsün genetik kodunun bir parçasını enfeksiyonun bir anısı olarak kendi genomuna ekler.

Bir meslektaşı tüm bunların nasıl çalıştığını henüz kimsenin bilmediğini söylüyor, fakat ipucu, virüsü etkisiz hale getirmek için bakteriler tarafından kullanılan mekanizmanın Doudna tarafından çalışan RNA girişimi ile benzer olmasıdır.

Doudna karmaşık bir makineyi haritalar

Bu haberler olağanüstü ve heyecan vericidir. Bakterilerin atasal bir bağışıklık sistemine sahip olduğu doğruysa bu büyük bir olaydır. Jennifer Doudna’nın moleküler tutkusu canlanır ve CRISPR sistemi hakkında öğrenebileceği her şeyi öğrenmeye başlar.

Sonradan anlaşıldı ki, CRISPR dizilerine ek olarak araştırmacılar CRISPR ile ilişkili cas olarak kısaltılan özel genler keşfettiler. Doudna’nın ilginç bulduğu şey, bu genlerin halihazırda bilinen, DNA’nın açılmasında ve küçük parçalara ayrılmasında özelleşmiş proteinleri kodlayan genlerle çok benzer olmasıdır. Peki, Cas proteinleri aynı işleve mi sahiptir? Virüs DNA’sını parçalayabilirler mi?

Doudna araştırma grubuyla çalışmaya koyuldu ve birkaç yıl sonra birkaç farklı Cas proteinin işlevini açığa çıkarmayı başardılar. Buna paralel olarak, diğer üniversitelerdeki bir avuç dolusu araştırma grubu yeni keşfedilen CRISPR/Cas sistemini inceliyordu. Haritaları, bakterilerin bağışıklık sistemlerinin çok farklı biçimler alabileceğini gösteriyordu. 25 yıl boyunca yapılan araştırmalarda birbirinden farklı çok sayıda CRISPR/Cas sistemi tanımlandı. Günümüzde ise sadece iki sınıf tanımlanıyor. Doudna tarafından çalışılan CRISPR/Cas sistemi 1. sınıfa aittir ve sistem bir virüsü etkisiz hale getirmek için birçok farklı Cas proteinine ihtiyaç duyan karmaşık bir makinedir. Sınıf 2 sistemleri, çok daha az proteine ihtiyaç duydukları için önemli ölçüde daha basittir. Dünyanın diğer bir parçasında, Emmanuella Charpentier böyle bir sistemle daha yeni karşılaşmıştı. Şimdi ona dönelim.

CRISPR–sistem yap-bozunun bilinmeyen ve yeni parçası

Emmanuella Charpentier’i bıraktığımızda Viyana’da yaşıyordu, ancak 2009’da kuzey İsveç’te bulunan Umea Üniversitesi’nde daha iyi çalışma olanakları olan bir konuma geçti. Dünyanın böylesi ücra bir köşesine taşınması konusunda uyarılmıştı ancak uzun, karanlık kış ona bol miktarda huzur ve çalışması için sessizlik sağlıyordu. Ve buna ihtiyacı vardı.

Aynı zamanda küçük, gen düzenleyen RNA molekülleriyle ilgiliydi ve Berlin’deki araştırmacılarla çalışarak, S. pyogenes de bulunan küçük RNA’ları haritaladı. Sonuçlar düşünmesi için çok şey verdi çünkü küçük RNA moleküllerinden biri şimdiye kadar bilinmeyen varyantı (bir çeşidi) bu bakteride bolca bulunuyordu ve bakterinin genomundaki bu RNA için genetik kod kendine özgü CRISPR dizisine çok yakındı.

İki dizi arasındaki benzerlikler Charpentier’i birbirlerine bağlı oldukları konusunda şüpheye düşürdü. Genetik kodlarıyla ilgili dikkatli analizler küçük ve bilinmeyen RNA molekülünün bir parçasının CRISPR’in tekrarlı kısmıyla eşleştiğini açığa çıkardı. Bu birbirine mükemmel biçimde uyan iki yap-boz parçası bulmak gibidir (Şekil 2).

Charpentier CRISPR ile hiç çalışmadı ancak araştırma grubu S. pyogenes’de CRISPR sistemini haritalamak için kapsamlı mikrobiyolojik polisiye çalışmalar başlattı. Sınıf 2’ye ait olan bu sistem, virüs DNA’sını parçalamak için yalnızca tek bir Cas proteini olan Cas9’a, ihtiyaç duyduğu zaten biliniyordu. Charpentier adı trans aktive edici CRISPR RNA (tracrRNA) olan aynı zamanda belirleyici bir işleve sahip, bilinmeyen bir RNA molekülünü ortaya çıkardı; bu molekül genomdaki CRISPR dizisinden uzun RNA’nın aktif biçimine olgunlaşması için gereklidir (Şekil 2).

Şekil 2.

Yoğun ve hedefe odaklı denemelerden sonra, Emmanuelle tracrRNA’nın keşfini 2011 Martta yayınladı. Çok heyecan verici bir şeyin peşinde olduğunu biliyordu. Mikrobiyoloji alanında uzun yıllar deneyime sahipti ve CRISPR-Cas9 sistemiyle ilgili devam eden araştırmalarında bir biyokimyacı ile iş birliği yapmak istiyordu. Jennifer Doudna doğal tercihti. Böylece o bahar, Charpentier bulguları hakkında konuşmak için Porto Riko’da bir konferansa davet edildiğinde, amacı bu yetenekli Berkeley araştırmacısıyla tanışmaktı.

Porto Rikolu kafede hayat değiştiren bir toplantı

Tesadüfen konferansın ikinci günü bir kafede buluşurlar. Doudna’nın bir meslektaşı onları birbirleriyle tanıştırır ve ertesi gün, Charpentier başkentin tarihi yerlerini birlikte keşfetmeyi önerir. Arnavut kaldırımlı sokaklarda dolaşırlarken çalışmalarından bahsetmeye başlarlar. Charpentier Doudna’nın iş birliğine ilgi duyup duymadığını merak ediyordu – acaba S. pyogenes’in basit sınıf 2 sistemindeki Cas9’un işlevini çalışırken ortak olmak ister miydi?

Bu durum Jennifer Doudna’nın ilgisini çekti ve onlar ve meslektaşları, proje için dijital buluşmalarla planlar yapıyorlardı. Kuşkuları, bir virüsün DNA’sını tanımlamak için CRISPR-RNA’nın gerekli olduğu ve Cas9’un DNA molekülünü kesen bir makas olduğuydu. Ancak bunu in vitro’da (laboratuvar koşullarında ya da yapay koşullarda) test ettiklerinde hiçbir şey olmuyordu. DNA molekülü bozulmadan kalıyordu. Neden? Deney koşullarında bir sorun mu vardı? Ya da Cas9’un tamamen farklı bir işlevi mi vardı?

Pek çok beyin fırtınası ve çok sayıda başarısız deneyden sonra araştırmacılar sonunda tracrRNA’yı testlerine eklediler. Önceden, tracrRNA’nın yalnızca CRISPR-RNA’nın aktif biçimine (Şekil 2) bölündüğünde gerekli olduğuna inanıyorlardı, fakat bir kere Cas9 tracrRNA ‘ya girdiğinde herkesin aslında beklediği şey gerçekleşti: DNA molekülü iki parçaya ayrıldı.

Evrimsel çözümler araştırmacıları her zaman şaşırmıştır, ancak bu olağanüstü bir şeydi. Streptokokların virüslerden korunmak için geliştirdikleri silah, basit, etkili ve dahice idi. Genetik makasların tarihini burada durdurulabiliriz; Charpentier ve Doudna insanlık için büyük acılara neden olan bir bakterideki temel bir mekanizmayı ortaya çıkardılar. Bu keşif kendi başına hayret vericiydi, fakat “şans hazırlıklı akıldan yanadır”.

Çığır açan bir deney

Araştırmacılar genetik makası basitleştirmeye karar verir. Tracr-RNA ve CRISPR-RNA hakkında bildiklerini kullanarak bu iki molekülü RNA rehberi olarak adlandırdıkları tek bir moleküle nasıl birleştireceklerini çözdüler. Genetik makasın basitleştirilmiş bu farklı biçimiyle, daha sonra çığır açacak bir deneye girişip; bu genetik aracın kontrol edilip edilemeyeceğini yani araştırmacılar tarafından karar verilen bir bölgeden DNA’yı kesip kesemeyeceğini incelediler.

Bu zamana kadar, araştırmacılar büyük bir ilerlemeye yakın olduklarını biliyorlardı. Doudna’nın laboratuvarındaki dondurucuda halihazırda bulunan bir geni aldılar ve genin ayırması gereken beş farklı yer seçtiler. Sonra makasın CRISPR kısmını değiştirdiler böylece kodları kesiklerin yapılacağı yerlerdeki kodlarla eşleşti (şekil 3). Sonuç karşı konulamazdı. DNA molekülü tam olarak istenilen bölgelerden bölünmüştü.

Şekil 3.

Genetik makas yaşam bilimlerini değiştiriyor

Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna keşifleri CRISPR/Cas9 genetik makası hakkındaki çalışmalarını 2012’de yayınladıktan hemen sonra, birkaç araştırma grubu, bu aracın hem farelerden hem de insandan alınan hücrelerdeki genomda değişiklik yapmak için kullanılabileceğini ve şiddetli tartışmalara yol açabilecek gelişmelere neden olabileceğini gösterdiler. Daha önce, bir bitki ya da organizmaların hücrelerindeki genleri değiştirmek zaman alıcıydı ve bazen imkansızdı. Genetik makası kullanarak araştırmacılar -kural olarak- herhangi bir genomda istedikleri yerde kesikler yapabilirler. Bundan sonra, DNA tamiri için hücrenin doğal sisteminden yararlanılması kolaydır böylece yaşamın kodunu yeniden yazarlar.

Bu gen aracının kullanılması çok kolay olduğu için, artık temel araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir hastalığın seyri sırasında olduğu gibi, farklı genlerin nasıl çalıştığını ve etkileşime girdiğini anlamak amacıyla hücrelerin ve laboratuvar hayvanlarının DNA’sını değiştirmek için kullanılır.

Genetik makas bitki ıslahında da standart bir araç haline geldi. Araştırmacılar tarafından bitki genomunu değiştirmek için kullanılan daha önceki yöntemler genellikle antibiyotik direnci için genlerin eklenmesini gerektiriyordu. Ekinler ekildiğinde, bu antibiyotik direncinin çevredeki mikroorganizmalara yayılma riski vardı. Genetik makas sayesinde, araştırmacılar bundan böyle genomda çok hassas değişiklikler yapabildikleri için eski yöntemleri kullanmalarına gerek kalmadı. Bu yeni yöntem sayesinde, pirincin topraktan ağır metalleri emmesini sağlayan genlerini düzenlediler ve bu da daha düşük kadmiyum ve arsenik seviyelerine sahip ıslah edilmiş pirinç çeşitlerine yol açtı. Araştırmacılar ayrıca sıcak iklimlerde kuraklığa daha dayanıklı, böceklere ve tarım ilaçlarına dayanabilen ekinler geliştirdiler.

Kalıtsal hastalıkları tedavi etme umudu

Tıpta, genetik makas kanser için yeni immunoterapilere de (bağışıklık sistemi üzerine tedavi yöntemleri) katkıda bulunuyor ve bir rüyayı gerçekleştirecek -kalıtsal hastalıkları tedavi etme- denemeler yapım aşamasındadır. Araştırmacılar orak hücre anemisi ve beta talasemi gibi kan hastalıklarının yanı sıra kalıtsal göz hastalıklarını tedavi etmek için CRISPR/Cas9’u kullanıp kullanamayacaklarını araştırmak için daha şimdiden klinik denemeler yapıyorlar.

Beyin ve kas gibi büyük organlarda genleri tamir etmek için de yöntemler geliştiriyorlar. Hayvan deneyleri özel olarak tasarlanmış virüslerin genetik makasın istenilen hücreye taşıyarak, kas distrofisi, spinal kas atrofisi ve Huntington hastalıkları gibi yıkıcı kalıtsal hastalık modellerini tedavi ettiğini göstermiştir. Ancak, teknolojinin insanlar üzerinde test edilebilmesi için daha fazla iyileştirilmesi gerekiyor.

Genetik makasın gücü yasal düzenleme gerektirir

Tüm faydalarının yanı sıra genetik makas kötüye de kullanılabilir. Örneğin, bu araç genetik olarak değiştirilmiş embriyolar oluşturmak için kullanılabilir. Ancak, uzun yıllardan beri insan genomunu değiştirme üzerine bir bakıma değişimlerin kalıtılmasına olanak verecek şekilde değiştirmeye yönelik yasakları içeren, genetik mühendisliği uygulamalarını kontrol eden düzenlemeler ve yasalar vardır. Ayrıca, hayvanları ve insanları kapsayan deneylerin yürütülmeden önce etik kurullar tarafından incelenmeli ve onaylanmalıdır.

Bu genetik makasın hepimizi etkileyeceği çok açıktır. Yeni etik meselelerle karşı karşıya kalacağız fakat bu yeni araç insanlığın şu an yüzleştiği pek çok zorluğun çözülmesine katkıda bulunabilir. Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna keşifleriyle yaşam bilimlerini yeni bir çağa taşıyan kimyasal bir araç geliştirdiler. Hayal edilemeyen geniş bir potansiyel ufkuna bakmamızı sağladılar ve yol boyunca -bu yeni ülkeyi keşfederken- yeni ve beklenmedik keşifler yapacağımızın garantisini aldık.

Kaynak: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/popular-information/

14.10.2020

Derleyenler:

Tülin Çetin, Dr. Biyolog

İpek Ürkmez, Dr. Kimyager

Bornova Belediyesi – Mevlana Toplum ve Bilim Merkezi