Menu

Sponsor2

Samstag, 10. Juni 2017

Böbrek Hücresi Bilgisayara Dönüştürüldü



Böbrek Hücresi Bilgisayara Dönüştürüldü

Boston Üniversitesi bilimcileri, memeli hücrelerini minik biyobilgisayarlara, yani canlı bilgisayara dönüştürmeyi başardı. Hücreleri, programlanabilir ve böylece karmaşık hesaplama işlemlerini gerçekleştirebilir duruma getiren bu tekniğin, gelecekte pek çok hastalığa çare olabileceği düşünülüyor. Nature Biotechnology dergisinde yayımlanan makale ile ayrıntıları paylaşılan çalışmada, Boston Üniversitesi’nden sentetik biyolog Wilson Wong liderliğindeki ekip, memeli hücrelerini biyobilgisayara nasıl dönüştürdüklerini ve nasıl hesaplama gerçekleştirdiklerini anlatıyor. Üstelik bu heyecan verici çalışmada kullanılan memeli hücresi, insan böbreğine ait! Boston ekibi, yaptıkları araştırmada kullandıkları genetik devrenin kendisini, hücrelerde zaten varolan “promoter” (başlatma, yazım başlatıcı) mekanizmasını kullanarak tasarladı. Bu DNA parçası, bir hücrenin DNA’sının RNA’ya yazımını gerçekleştirir ve ardından yazılan kod proteine çevrilir.

Araştırmacılar, seçilen parçaları kesmek suretiyle genleri açıp kapatma düğmesi rolünde olup, DNA rekombinaz olarak adlandırılan ve bir tür makas görevi gören enzime güvendi. Bir promoterin arkasına fazladan 4 tane DNA kırpığı yerleştirildi. Bu kırpıntılardan biri, yeşil fluoresan protein (GFP) üretmek üzere tasarlanmıştı. GFP, özel bir madde tarafından çalışır duruma getirildiğinde hücreyi aydınlatır. Wong ve ekibi, bu tekniği kullanarak %96,5 başarı oranıyla 113 farklı devre yapılandırabildi. Bu değişik türde devreler, değişken hedef zincirlerle farklı rekombinazlar kullanılarak düzenlendi. Çalışmalarının en büyük başarısı, 6 farklı girdili bir devre kullanarak, insan hücrelerinden bir Boolean mantıksal işlem tablosu yapmaları olsa gerek. Girdiler çeşitli şekillerde bir araya getirilerek, 16 mantıksal işlemin herbiri gerçekleştirilebildi.

Bilgisayar, özünde hesaplama yaparak bilgi işleyen bir makinedir. Bilgisayarın devresi ne kadar güçlü olursa, o da o kadar karmaşık hesaplamalar yapabilir duruma gelir. Benzer biçimde, minibilgisayar olarak çalıştırılmak üzere genetik düzenlemesi yapılan hücreler de, düzenlenişlerine bağlı olarak az ya da çok güçlü olabilirler. Wong’un ekibinin çalışmasından önce, hesaplama işlemlerini gerçekleştirmek amacıyla başka araştırmacılar tarafından organik malzemelerin genlerinin genetik mühendisliği yapılmıştı. Örneğin oksijen düzeyi düştüğünde hücrelerin ışık salınımı yapmaya başlamasının sağlanması gibi. Ancak bu basit biyobilgisayarlar, genlerini manipüle etmenin nispeten kolay olduğu E. coli ve diğer bazı bakteriler ile sınırlıydı. Memeli hücrelerinin genetik devre olarak kullanımı ise zordur; çünkü belirli genleri açma ve kapatma becerileri, transkripsiyon faktörlerine bağlıdır. Bu konuda DNA rekombinaza başvuran Boston ekibi, böylece sorunu aşabilmiş. Bilimkurgu gibi görünse de artık elde edilmiş bir teknoloji olan bu başarı, ilerleyen yıllarda biyobilgisayarlar ve biyoelektronik alanında ne gibi gelişmeler yaşanabileceğinin ipucunu veriyor. Konuyla ilgili olan şu iki yazımızı da okumanızı öneririz:

Sayborg Güller Transistör ve Mantık Geçidi Oluyor

İsveç’te bulunan Linköping Üniversitesi ve İsveç Tarımsal Bilimler Üniversitesi’nden Magnus Berggren liderliğindeki araştırmacılar canlı bitkilerin iç yapılarına entegre edilebilen elektronik devre geliştirdi. Ekip, bitkilerin damar sistemlerinin içine iletken bir polimer aktararak, elektriksel bir devrenin en önemli bileşenlerini böylece yapılandırmış oldu. Ayrıca bu yöntemle dijital bir görüntünün transistör modülasyonu, dijital mantık fonksiyonları ve elemanları da gösterildi. Bitkiye tümleşik elektronik, bitki fizyolojisini ve fotosentezden elde edilen enerjiyi düzenlememizi sağlayabilir. Organik elektronik malzemeler, hem elektronik hem de iyonik sinyalleri iletip işleyebilen polimerler ve moleküllerdir. Hemen hemen her biçime sokulabilirler ve elektronik sinyalleri kimyasal süreçlere, kimyasal süreçleri de elektronik sinyallere çevirebilen cihazların yapılandırılmasında kullanılabilirler. Sonuçta ortaya çıkan elektrokimyasal cihazlar, biyolojik ve kimyasal süreçlerin düzenlenip izlenmesinde işe yarayabilir. Şu anda bu tür teknolojilerden ilaç ulaştırma, yenileyici tıp, nöronal ara bağlantılar ve teşhis gibi çeşitli medikal araçlarda zaten yararlanılıyor. Araştırmacılar özellikle benzer organik biyoelektroniklerin bitkilerdeki kimyasal süreçleri algılama, kaydetme ve kontrol etmede kullanılıp kullanılamayacağı ile ilgileniyor. Eğer bu yapılabilirse, tarımda çok yararlı uygulamalarının olabileceğini belirtiyor Berggren. Örneğin ekinlerin çiçek açacağına işaret eden hormonları izleyebilirsek ve bu süreci düzenleyebilirsek, çiçeklenme zamanını kötü havadan kaçınacak biçimde ayarlayabiliriz.

İletken Kablolar

Araştırmacılar bir bahçe gülünün (Lat. Rosa floribunda) köklerini iletken polimer çözeltilerine batırarak, elektronik devrelerle birleştirmeyi denemiş. Sadece bir tanesi, PEDOT adı da verilen poly(3,4-ethylenedioxythiophene) bitki boyunca suyu ileten tüp benzeri odun borusundan alınarak, bitkinin iç yapısına eklemlenebilmiş. Polimerin, odun borusu içinde kimileri 5 cm’den daha uzun olan iletken kablolar oluşturacak biçimde kendi kendini organize ettiği böylece gösterilmiş oldu. Su ve besinin iletimine ise herhangi bir olumsuz etki yapmadı. Ekip bu kabloların etraflarındaki hücrlerin içindeki elektrolitik bölmelerle etkileşim yapabildiğini gösterdi. Bu etkileşimi, iyonik sinyalleri elektronik çıktıya çeviren elektrokimyasal bir transistör yapmak için kullandılar. Ardından PEDOT/gül kökü kablosunun aynı parçasında böyle iki transistör yaparak, çiftin tıpkı bir NOR (VEYA DEĞİL) mantık geçidi gibi işlediğini gösterdiler. Gül yapraklarının içine bir tür PEDOT aşılayan bilimciler, iletken polimerin yaprağın damarları ile ayrılmış bölmelere ilerleyerek, iki boyutlu bir elektrokimyasal hücre ağı yarattığını saptadı. Yaprağa gerilim uygulandığında polimer hücrelerinin rengi değişti. Bu da onların yapraktaki iyonlarla etkileştiğini gösteriyor.

Temel Devreler Renk değiştiren yapraklar henüz başlangıç ama Berggren’in dediğine göre, yaprakların içinde oldukça gelişmiş düzeyde devreler inşa edilebileceğini gösteriyor. Ayrıca sensörler ve başka ileri düzey cihazlar geliştirmeye çok yaklaştıklarını belirtiyor. Yaptıkları bu çalışma, her tür temel devre ve cihazın bu şekilde üretilebileceğine işaret ediyor. West of England Üniversitesi’nden Andy Adamatzky gelişmeyi şöyle yorumluyor: “Yaşayan teknolojiler alanındaki bir diğer harika gelişme bu. Bitki ile donanımın melezlenmesi. Bitkilerin kendi çevrelerini algılayabilecekleri ve içsel bilgisayarları aracılığıyla analiz yapıp insanlara gönderebilecekleri gömülü bilgisayarların geliştirilmesinde kullanılabileceğini düşünüyorum.”

Canlı Hücreler İçin Programlama Dili Geliştirildi

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları, canlı hücrelere yeni işlevler kazandıran karmaşık devrelerin, DNA kodlamalı olarak hızla tasarlanmasını sağlayan bir programlama dili geliştirdi. Bu dili kullanarak, herkes istediği işlev (örneğin, belirli çevresel koşulları saptama ve tepki verme gibi) için bir program yazabiliyor. Ardından da bunu gerçekleştirecek DNA dizilimi üretilebiliyor. Bunun bakteriler için gerçekten de bir programlama dili olduğunu belirten Prof.Christopher Voigt, tıpkı bilgisayarlarda olduğu gibi metin tabanlı bir dil kullanıldığını söylüyor. Yazılan program derlenerek, bu kez 0 ve 1’lerden oluşan makine kodu yerine bir DNA dizilimine dönüştürülüyor. Dizilimin yerleştirildiği hücre, programda belirtilen işlevleri yerine getiriyor. Science dergisinde yayımlanan makalelerinde araştırmacılar, üç girdiye kadar saptama yapıp, farklı şekillerde tepki verebilen devreler yapılandırdıklarını belirtiyorlar. İleride bu yöntemle, tümör saptadıklarında kanser ilacı üretmeleri için özel olarak tasarlanmış ve programlanmış bakteriyel hücreler üretmek mümkün olabilir. Prof.Voigt geliştirdikleri programlama diline internet üzerinden herkesin erişebileceğini ve herhangi bir genetik mühendisliği altyapısı olmayan kişilerin de dili öğrenerek yazılım üretebileceğini ifade ediyor. DNA dizilimine çevrilmelerinin ardından, bu yazılımlar hücrelere transfer edilerek çalıştırılabilecek. Hücre programlama dili, bilgisayar çiplerini programlamak için sıkça kullanılan Verilog‘a dayanıyor. Bu dilin hücreler için uygun bir versiyonunu yaratmak amacıyla araştırmacılar çeşitli hesaplama öğeleri tasarlamış; bakteriyel hücrenin DNA’sına kodlanabilecek mantık kapıları ve sensörler gibi. Sensörler oksijen ya da glukoz gibi farklı bileşenlerin yanısıra ışığı, sıcaklığı, asidikliği ve diğer çevresel koşulları algılayabiliyor. Kullanıcılar ayrıca kendi sensörlerini de ekleyebiliyor. Araştırmanın en güç yanının, devrelerde kullanılan 14 mantık kapısının tasarlanması olduğunu ifade eden Voigt, şu anki programlama dilinin E. coli bakterisine en uygun olacak şekilde hazırlandığını ekliyor. Dilin geliştirilme çalışmaları devam ediyor ve araştırmacılar farklı organizmalar için doğru DNA dizilimini elde etmek amacıyla tek bir program yazıp, organizmaya göre derlenebilmesini sağamak için uğraşıyorlar. Bu dili kullanarak bilimciler farklı işlevlere sahip 60 tane devre programlamış bulunuyor. Bunlardan 45 tanesi ilk sınamada başarıyla çalışmış. Yaptıkları devrelerden biri şimdiye kadar inşa edilmiş en büyük biyolojik devre olup, 7 adet mantık kapısı ve yaklaşık 12.000 DNA baz çifti içeriyor. Bu tekniğin bir diğer avantajı da hız. Şimdiye dek bu tip devreler hazırlamak yıllar alıyordu. Şimdiyse bir butona basıyorsunuz ve anında DNA dizilimi elinizde oluyor.



Kaynaklar: Engadget, “Scientists turn human kidney cells into tiny biocomputers“ Science, “Scientists turn mammalian cells into complex biocomputers“ Futurism, “New Research Turns Mammalian Cells Into Biocomputers“ İlgili Makale: Nature Biotechnology, “Large-scale design of robust genetic circuits with multiple inputs and outputs for mammalian cells”

Keine Kommentare:

Kommentar veröffentlichen