beyaz logo.png

Güncel Sentetik Biyoloji Çalışmaları ve Potansiyeli

Menşura Feray ÇOŞAR - Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü, Fen Edebiyat Fakültesi, İstanbul Teknik Üniversitesi


Sentetik biyoloji doğada organizmaların işleyişini analiz ederek biçimlendirme ve yeniden inşa etme gücü sağlar. Var olan bir biyolojik işleyişin yeni amaçlara hizmet etmesi için uyarlanması ve geliştirilmesini içerir. Yapılan güncel çalışmalarda yaşamı şekillendirme potansiyeli barındırmaktadır.


Yapılan son çalışmalarda rekombinant protein üretimi verimliliğinin arttırılması ve translasyon aşamasında mRNA-rRNA çeviri kinetiğinin güçlendirilmesi için rRNA’ların evrimi yönlendirilebilmektedir. Protein sentezi ve hücre büyümesi için hız sınırlayıcı olarak kabul edilen ribozom kinetiği, bakteriyel büyümeyi ve biyolojik üretimi doğrudan etkiler [1]. Ribozoma özgü modifikasyonların ne denli etkili olacağı ise bilinmezliğini korumaktadır. Ahmed H. Bardan ve arkadaşları yaptıkları çalışmada doğal olmayan biyoaktivitelere yönelik yönlendirilmiş rRNA evrimi ile translasyon aslına uygunluğunu artırabilmeyi ve translasyon kinetiklerini dizayn edebilmeyi denemişlerdir [1]. Ribozoma yönelik evrimin, doğaldan daha hızlı translasyon oranlarıyla genotiplere erişim sağlayacağını düşünerek; faj destekli evrimi birleştiren oRibo-PACE teknolojisini geliştirmişlerdir. oRibo-PACE teknolojisini dizayn ederken ortogonal çevirinin verimliliğini etkilediği bilinen platformlar analiz edilmiş ve o-RBS/o-antiRBS etkileşimleri dikkate alınmış ve ortogonal çeviri duyarlılığını artırmak için sensör plazmit mimarisi uygulanmıştır. Karşılaştırmalar ve etkileşim kinetikleri baz alınarak yapılan incelemelerde oRibo-PACE, başlangıç ​​rRNA yapı iskelelerinin üzerinde tahmini ve olasılık olarak mümkün olan geliştirilmiş kinetik aktiviteye sahip o-rRNA varyantları ortaya koyulmuştur. Ortaya konan varyantlar çoklu raportör genleri, o-RBS/antiRBS çiftleri ve r-protein tamamlayıcıları kullanarak doğrulanmıştır. Bu sayede yapılan sentetik etkileşimler ile protein translasyonunda bağlamdan bağımsız iyileştirmeler bulunmuştur [1].


Şekil 1: oRibo-PACE'den türetilen her bir segmentin, o-rRNA varyantı, ekspresyon plazmitlerine (EP'ler) klonlanlanmasını ve değişken genlerin, RBS'lerin ve bağlam bağımlılıklarının raportör plazmitleri (RP'ler) ile birlikte test edilmesini temsil etmektedir. Lüminesans aktivitesi, protein üretim aktivitesi ve hücrenin diğer yükümlülükleri gibi olaylarda üretilen varyantlar değerlendirilmiştir [1].


Sentetik devrelerin tasarımı ve uygulanması, sentetik biyolojinin ilerlemesi için bir başka önü açık konudur. Biyomoleküler kontrolörlerin tasarım sürecini ve uygulamasını hızlandırmak amacıyla pek çok devre dizaynı yapılmış ve uygulanabilirliği test edilmiştir. Tasarlanan denetleyicinin yönlendirmesi gereken sistemin gerçekçi bir simülasyonu ile arabirim oluşturduğu döngü içi donanım tasarımları; karmaşık işleyişlerde görev alan denetleyiciler geliştirmek için yaygın olarak kullanılan bir mühendislik stratejisidir. Hücresel ortama gömülü biyomoleküler kontrolörlerinin hızlı testi ve optimizasyonunu sağlayan bir sentetik devre çalışmasında, optogenetik kullanımı vardır [2]. Tek hücrelerin stokastik optogenetik kontrolü için deneysel çerçeve tasarımında hedeflenen in vivo biyolojik sistem için uygulanan biyomoleküler kontrolörler ile tek hücre düzeyinde arayüz oluşturularak hızlı ve uygun maliyetli prototipleme sağlanmaktadır [2]. Yapılan prototipte mikroskop numune düzleminde bir tek tabaka halinde büyütülen ve periyodik olarak görüntülenen ışığa duyarlı hücreler, her hücrenin koordinatlarını elde etmek ve ilgili hücresel okumaları ölçmek için görüntü analizine maruz bırakılır. Stokastik bir biyomoleküler denetleyici reaksiyon ağı simülasyonunun eğilimlerini güncellemenin sağlanabilmesi için bu okumaların sonuçları kullanılır. Hedef alınan biyolojik ağın denetleyici türlerinin çok sayıda olması, her hücre için bir sonraki görüntüleme döngüsünde alacağı ışık miktarını belirlemede önemli bir rol oynamaktadır [2].


Şekil 2: Biyomoleküler kontrolörlerin tasarım sürecini ve uygulamasını hızlandırmak amacıyla tasarlanan sentetik devrelerin analiz sürecinin basamaklarını temsil etmektedir [2].


Farklı organizmalar üzerinde verimli genetik kod dizaynları ile doğal halinde bulunmayan genler aktifleştirilebilir ve organizmaların sentezlemeleri sağlanabilir. Tasarlanan kod ve kodon dizaynları ile genetic işleyiş mekanizması aydınlatılırken nasıl maniple edileceği yönünde de büyük bir kapı açılmış olur. Protein tasarımı ve işleyiş mekanizmasını aydınlatmak amacıyla, çeşitli kimyasal fonksiyonel grupların kullanımını içeren biyolojik sistemler kurulması için kimya sınırları genilletilmektedir. Türetilen nsAA yapıları tirozin, pirolizin, serin, lösin ve triptofan kaynaklı olabilir ve başlıca E. coli ve memeli hücre hattı sistemlerinde proteinlere dahil edilebilmişlerdir. Ethan C. Garner ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarında Bacillus subtilis'teki proteinlerin daha iyi anlaşılması ve üretim mekanizmasının kontrolü amacıyla 3 farklı genetik kod genişletme sistemi ailesi kullanarak proteinlere 20 farklı standart olmayan amino asit ekleyebilmişlerdir. B. subtilis'te geniş ve verimli genetik kod genişlemesini başarmışlardır [3].


Şekil 3: AARS ve tRNA yapıları ile uyumlu bir nsAA uygulaması ile stop kodonu oluşturabilen bir genomik ifade eldesini ve gene nsAA dahil edilmesini temsil etmektedir [3].


Doğada var olan organizmaları yeni yeteneklere sahip olacak şekilde tasarlayarak yararlı amaçlar için kullanan sentetik biyoloji;dünyanın dört bir yanında tıp, endüstri ve tarım bşta olmak üzere pek çok alanda sorunları çözmek için doğanın gücünden yararlanarak uyarlamalar ve geliştirmeler yapmaktadır.





Referanslar

1. Liu, F., Bratulić, S., Costello, A. et al. Directed evolution of rRNA improves translation kinetics and recombinant protein yield. Nat Commun 12, 5638 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25852-5

2. Kumar, S., Rullan, M. & Khammash, M. Rapid prototyping and design of cybergenetic single-cell controllers. Nat Commun 12, 5651 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25754-6

3. Stork, D.A., Squyres, G.R., Kuru, E. et al. Designing efficient genetic code expansion in Bacillus subtilis to gain biological insights. Nat Commun 12, 5429 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-25691-4


73 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör