Yaşamın temel taşı olan genetik kod, DNA'daki bilgiyi belirli protein dizilerine dönüştürmek için evrensel olarak kullanılan bir sistemdir. Dünya üzerindeki tüm canlılar, küçük varyasyonlarla aynı genetik kodu kullanır. Bu durum, tüm canlıların ortak atasında bu kodun zaten var olduğunu düşündürmektedir. Genetik kodun değiştirilmesi oldukça zordur çünkü hücrelerdeki pek çok mekanizma buna bağlıdır.
Buna rağmen, bu alanda önemli adımlar atılmıştır. Araştırmacılar, bir bakteri hücresine yeni amino asitler eklemeyi ve normalden bir amino asit daha az içeren proteinler üretmeyi başarmıştır. Ancak bu süreç oldukça zahmetlidir; bazı çalışmalar için bakterinin genomundaki her bir genin yeniden tasarlanması gerekmiştir.
Şimdi ise araştırmacılar, iki ayrı genetik kodun aynı anda çalıştırılmasını sağlayacak bir yöntem geliştirmişlerdir. Bu yöntem, hücredeki her proteinin temelini oluşturan kodu değiştirirken telafi edici herhangi bir işlem yapma gerekliliğini ortadan kaldırır. Yöntem henüz gerçek hücrelerde test edilmemiş olsa da, sentetik biyoloji alanındaki çalışmaları hızlandırması beklenen yaratıcı bir çözümdür.
Biyoloji 101'e Dönüş
Bu çalışmanın nasıl işlediğini anlamak için lise biyoloji derslerine kısa bir yolculuk yapalım. Genomda, genlerin büyük bir kısmı bir proteini kodlamaya ayrılmıştır. DNA'daki bazların doğrusal dizisi, proteini oluşturan amino asitlerin doğrusal dizisine doğrudan çevrilir. DNA'daki her üç baz grubu, belirli bir amino aside karşılık gelir (üç istisna, her biri proteinin sonunu işaretler).
Bu çeviri doğrudan gerçekleşmez. DNA önce haberci RNA'ya (mRNA) kopyalanır. Ardından, ribozom adı verilen protein ve RNA'dan oluşan bir kompleks, mRNA'ya bağlanır ve onu adım adım, amino asit bazında çevirmeye başlar.
Bu çeviri, başka bir RNA türü olan transfer RNA (tRNA) üzerine dayanır. Transfer RNA'lar karmaşık bir yapıya katlanırken, hepsinin iki temel kısmı vardır. Bir tarafta, genetik kodun üç bazına uyan ve mRNA ile eşleşebilen üç bazlık bir dizi bulunur. Diğer tarafta, tRNA ilgili amino aside kimyasal olarak bağlıdır. Ribozom, doğru transfer RNA'nın baz eşleşmesini sağlar ve taşıdığı amino asidi büyüyen protein zincirine ekler.
Bu sistemin önemli bir parçası, doğrudan sürece dahil olmayan bir unsurdur: transfer RNA'ları doğru amino aside kimyasal olarak bağlayan enzimler. Bu enzimlerin hem transfer RNA'daki üç bazlık kodu hem de eklenmesi gereken uygun amino asidi tanıması gerekir. (Bu süreç genellikle bir tRNA'yı "şarj etmek" olarak adlandırılır.)
Genetik kodda kapsamlı değişiklikler yapmak için bu faktörlerin bir kombinasyonunu değiştirmek gerekir: genlerin dizisi, transfer RNA'ların dizisi ve/veya transfer RNA'ları şarj eden enzimler. (Değiştirilmesi gerekmeyen tek şey ribozomun kendisidir.) Ve bunu, organizmanın genomundaki her geni etkilemeyecek veya tüm genleri telafi edecek şekilde yapmak gerekir.
Tüm bunlar, şaşırtıcı bir şekilde, oldukça zordur. Çoğu durumda, ara adımlar yoluyla işler yürütülemez, aksi takdirde tüm genom hatalı proteinler üretecektir. Bu karmaşıklık, yapay amino asitler ve alternatif genetik kodlarla denemelerimizi yavaşlatmıştır.
Neden İkisi Birden Olmasın?
Bu yeni çalışma, sentetik biyolog ve girişimci George Church liderliğindeki bir araştırma grubundan geliyor. Kendisi, alternatif genetik kodları keşfetmeye kesinlikle ilgi duyuyor ve bunu yapmak için gereken zahmetten rahatsızlık duyuyordu. Bu çalışmayı anlatan makalenin büyük bir kısmı, test ve taramayı otomatikleştirebilecek sistemlerin geliştirilmesine odaklanıyor. Eğer bu tür konular ilginizi çekiyorsa, makale harika olacaktır. Ancak biz burada biyolojiye odaklanacağız.
Çalışmanın arkasındaki temel fikir, ribozomun önemli olduğudur, ancak pratik olarak önemsiz bir şekilde önemlidir. Ribozom RNA'sının bazı kısımları, transfer RNA'sının uçlarından birine yakın bir baz grubuna bağlanarak doğru türdeki RNA ile çalıştığını garanti eder. Bu biyokimyasal olarak kritik olsa da, pratikte önemli değildir çünkü her tek transfer RNA'da bu konumda aynı dizi bulunur.
Peki, yeni makale şunu soruyor: Ya bu böyle olmasaydı? Ribozom ve transfer RNA üzerinde baz eşleşmesi yapan kesin yerleri bildiğimiz için, bunlardan birinin dizisini potansiyel olarak değiştirebiliriz; bu normal baz eşleşmesini bozar, ancak daha sonra diğerinde onu yeniden tesis eden bir değişiklik yapabiliriz.
Teorik olarak, bunu sadece bu küçük dizide farklılık gösteren iki transfer RNA popülasyonu oluşturmak için kullanabiliriz. Bunlardan biri sadece normal ribozomlarla etkileşime girebilirken, diğeri modifiye bir RNA kullanan ayrı bir ribozom popülasyonuyla etkileşime girebilir. Makale bu teoriyi pratiğe dönüştürmüştür.
İki Kod
Büyük sorulardan biri, bu diziyi değiştirdikten sonra bir transfer RNA'yı şarj edip edemeyeceğinizdi. Bu basit bir soru gibi görünse de, hiç kimsenin daha önce sormadığı bir soru olduğu için çok daha karmaşıktır. Bu yüzden ekip, şarj edilmiş ve edilmemiş amino asitlerin katılabileceği kimyasal reaksiyonlardaki ince farkları içeren bir yöntem icat etmek zorunda kalmıştır. Bunu tespit etmek için "hücreden bağımsız çeviri, robotik, yeni nesil dizileme ve analitik kimya" gerektirmiştir.
Ancak bir cevap sağlamıştır: Transfer RNA'lardaki belirli değişikliklere bağlı olarak, çoğu tRNA şarj edilebilir, ancak tipik olarak normal bir tRNA'dan daha düşük bir verimlilikle. Bazı dizi değişiklikleri diğerlerinden daha iyi tolere edilmiştir.
Bu şarj edilmiş alternatif transfer RNA'lar elde edildikten sonra araştırmacılar, normal ribozomlar tarafından yok sayıldıklarını doğrulamışlardır. Ancak, baz eşleşmesini yeniden tesis eden karşılık gelen değişikliklere sahip bir ribozom kullanırsanız, onlar için memnuniyetle bir protein üretecektir. Böylece araştırmacılar, her biri farklı bir ribozom popülasyonuyla uyumlu iki farklı transfer RNA popülasyonuna sahip olmuşlardır.
Ayrı bir genetik kod tasarlamışlar ve alternatif transfer RNA'ları kullanarak bunu uygulamışlardır. Ardından, her iki genetik kod tarafından çevrilebilen ancak kullanılan koda bağlı olarak farklı proteinler üreten bir mRNA tasarlamışlardır. Daha sonra, her iki transfer RNA popülasyonu, her iki ribozom popülasyonu ve çeviriyi çalıştırmak için gereken tüm kimyasalların bir karışımını bir araya getirmişlerdir.
İki farklı protein üretilmiştir. Böylece, her iki ribozom popülasyonu mRNA'ya bağlanmış, ancak protein üretmek için farklı transfer RNA popülasyonlarını kullanmışlardır. Ve iki popülasyon farklı genetik kodları uyguladığından, iki ribozom popülasyonu farklı proteinler üretmiştir.
Bu gerçekten harika bir gelişme.
Aynı zamanda pratik olarak da faydalı olabilir. Ne de olsa, hücredeki her protein buna bağlı olduğu için genetik kodla uğraşmak son derece zordur. Eğer bu kod çalışmaya devam ederken ikinci bir genetik kodla uğraşırsanız, hücre potansiyel olarak çok daha mutlu olacaktır.
Potansiyel olarak. Araştırmacılar bu çalışmayı yalnızca hücrelerden izole edilmiş protein ve kimyasallar karışımında gerçekleştirmişlerdir; gerçek hücrelerde denememişlerdir. Ve net olmak gerekirse, bu orada sorunlara yol açabilir. Sonuçta, alternatif ribozom hala karşılaştığı herhangi bir mRNA'yı çevirmeye çalışacaktır ancak yanlış genetik kodu kullanacaktır, muhtemelen çok sayıda kesilmiş veya hatalı protein üretecektir. Topluca, bunlar normal süreçlere yeterince müdahale ederek hücreyi öldürebilir.
Bu sorunun etrafından dolaşmanın bariz bir yolunu göremiyorum. Ancak iki genetik kodun paralel çalıştığının mümkün olduğunu fark edecek kadar zeki değildim, bu yüzden keskin bir biyolog nihayetinde bir yol bulabilir.
