Genetik araştırmalarında çığır açan CRISPR teknolojisinin yanı sıra, doğada keşfedilmeyi bekleyen yüzlerce benzer sistem bulunuyor. Bilim insanları, son zamanlarda SPARDA adı verilen gizemli bir bakteri savunma sisteminin nasıl çalıştığına dair önemli adımlar attı. Bu keşifler, gelecekteki biyoteknoloji uygulamaları için yeni kapılar aralayabilir.
CRISPR sistemleri, genetik bilgiyi daha önce hiç olmadığı kadar kolay bir şekilde düzenlememize olanak tanımıştır. Gen düzenlemesindeki kullanımıyla tanınsa da, CRISPR aslında bakterilerin genetik materyallerini korumak için geliştirdiği bir savunma mekanizmasının insan kullanımı için adapte edilmiş halidir.
Son yapılan bir araştırmada, SPARDA (kısa prokaryotik argonaute, DNase ilişkili) olarak bilinen başka bir bakteriyel savunma sistemi incelendi. Bu sistemin anlaşılması, mevcut CRISPR teknolojisini geliştirebilecek yeni biyoteknoloji araçlarının potansiyelini artırıyor.
Moleküler Argonotlar
Çalışmanın ortak yazarlarından, Vilnius Üniversitesi'nden biyokimyacı Mindaugas Zaremba'ya göre, bu yeni çalışma öncesinde SPARDA sistemleri hakkında sadece sınırlı çalışmalar yapılmıştı. Araştırmacılar, bu sistemin genetik materyallerini korumak için adeta bir 'intihar bombacısı' gibi davrandığını, yabancı DNA'lara (plazmidler ve virüsler gibi) karşı mücadele ettiğini belirlemişlerdi.
Zaremba, SPARDA sistemlerinin bakterileri plazmidler ve virüslerden koruduğunu, hem enfekte olan hücrelerin hem de istilacıların DNA'sını bozarak konak hücreyi öldürdüğünü ve böylece enfeksiyonun diğer bakteriyel popülasyonlara yayılmasını engellediğini belirtti.
Ancak SPARDA'nın moleküler düzeyde nasıl çalıştığı belirsizliğini koruyordu. Zaremba ve ekibi, bu soruyu yanıtlamak için yapay zeka destekli bir protein analiz aracı olan AlphaFold başta olmak üzere çeşitli analiz tekniklerini kullandı. AlphaFold, makineli öğrenme yöntemleriyle proteinlerin 3 boyutlu yapısını, temel yapı taşlarının dizilimine dayanarak tahmin edebiliyor.
SPARDA sistemi, 'argonaute' adı verilen proteinlerden oluşuyor. Bu proteinler, isimlerini görünüş olarak argonaut ahtapotlarına benzemelerinden alıyor. Bu argonaute proteinleri evrimsel olarak korunmuş olup, yaşamın üç ana alanındaki hücrelerde bulunuyor.
Zaremba'nın analizi, iki farklı bakteriden rastgele seçilmiş SPARDA sistemleri üzerinde yapıldı. Bunlardan ilki, topraklarda yaşayan ve fotosentez yapmayan bir mikroorganizma olan Xanthobacter autotrophicus; diğeri ise göllerde yaşayan ve suda yüzmesini sağlayan 'hava yastıkları'na sahip olan Enhydrobacter aerosaccus.
Zaremba'nın ekibi, bu bakterilerden SPARDA sistemlerini izole ederek, bilimsel çalışmalarda güvenilir bir model organizma olan E. coli bakterisine yerleştirdi. Yapılan moleküler analizler, her bir argonaute proteininde kritik bir 'aktifleştirme bölgesi' olduğunu ortaya koydu. Bu bölgeye, makinelerin 'açık' veya 'kapalı' durumlarını kontrol eden elektrik rölelerine benzemesi nedeniyle beta-röle adı verildi.
SPARDA sistemleri dış tehditleri algıladığında, bu röleler şekil değiştiriyor. Bu yeni şekil, proteinlerin diğer aktive olmuş argonaute proteinleriyle kompleksler oluşturmasını sağlıyor. Bu olduğunda, proteinler birer asker gibi hizalanarak uzun, sarmal zincirler oluşturuyor. Bu zincirler, karşılaştıkları çevredeki DNA'yı hem konak hem de istilacı ayrımı yapmadan parçalıyor. Bu, enfeksiyonun diğer hücrelere yayılmasını engelliyor.
Zaremba'nın ekibi daha sonra AlphaFold'u kullanarak benzer bakteriyel proteinlerde de beta-rölelerini taradı. Aynı anahtarlar tekrar tekrar ortaya çıktı, bu da beta-rölelerinin bu protein tipi için evrensel bir özellik olduğunu düşündürüyor.
Tanı Alanında SPARDA
SPARDA, bakteriyel savunma için kritik öneme sahip olsa da, Zaremba'nın ekibi bu sistemin insanlara da yardımcı olabileceğini savunuyor.
SPARDA'yı aktive etmek, bakteriyel hücreler için son çare olarak görülen bir manevradır ve yalnızca enfeksiyonun varlığından emin olunduğunda kullanılır. Bu nedenle, sistem yabancı DNA'yı tespit etmek için inanılmaz derecede doğru bir tanıma mekanizmasına sahiptir.
Zaremba, araştırmacıların bu sistemi tanı araçlarında kullanabileceğini öne sürüyor. Bu senaryoda, beta-röle, yalnızca ilgilenilen bir genetik dizinin tespit edildiğinde aktive olacak şekilde değiştirilebilir. Böylece sistem, örneğin bir grip virüsü veya SARS-CoV-2'nin genetik materyaline tepki verebilir. Mevcut CRISPR tabanlı tanı araçlarının altında yatan mekanizma da buna benzer.
Ancak mevcut CRISPR tanıları, işlevsellik açısından sınırlıdır; yalnızca PAM dizileri adı verilen belirli DNA dizilerinin çevresinde hedefleri tanıyabilirler. Bu diziler, bir fişin uçlarındaki 'priz' gibi düşünülebilir; eğer eşleşmezse, sistem çalışmaz. Bu da, belirli bir hedef için doğru CRISPR proteinini seçmenin önemini ortaya koyar.
Zaremba, "SPARDA sistemlerinin bir PAM dizisine ihtiyaç duymadığını zaten biliyoruz" dedi. Bu, gelecekteki DNA tanı araçlarına daha fazla esneklik kazandırarak ve çeşitli mikropları tespit etme konusunda testleri iyileştirerek evrensel bir adaptör görevi görebileceği anlamına geliyor.
CRISPR araştırmaları Nobel Ödülü'ne layık görüldü ve bilimi sonsuza dek değiştirdi. SPARDA araştırmaları henüz çok erken bir aşamada olsa da, iç işleyişi, minik organizmaların tasarımının bilimin en büyük sorularına dersler verebileceğini gösteriyor.
