Hayatın temel taşı olan genetik kod, küçük varyasyonlar dışında tüm canlılar tarafından aynı şekilde işleniyor. DNA'nın üç bazlık dizilimleri, evrensel olarak 20 farklı amino asidi kodluyor. Bu durum, genetik kodun Dünya üzerindeki tüm yaşamın son ortak atasından beri değişmediği düşüncesini güçlendiriyor. Ancak, bu kodun nasıl evrildiğine dair pek çok önemli tartışma mevcut.
Bilim insanları, bu varsayımları test etmek amacıyla, mevcut 20 amino asitten birini ortadan kaldırıp kaldıramayacaklarını araştırmaya koyuldu. Columbia ve Harvard'dan bir ekip, başlangıç olarak ribozomun önemli bir bölümünü, doğal olarak gerekli olan izolösin amino asidini kullanmadan çalışacak şekilde mühendislikle yeniden tasarladı.
Kodu Değiştirmenin Amacı Ne?
Bu tür çalışmaların arkasındaki temel motivasyon, genetik kodu daha işlevsel hale getirmek veya yeni kimyasal olanaklar yaratmak için 20'den fazla amino asit kullanmak gibi alanlara odaklanmış olsa da, bu araştırmanın amacı farklıydı. Temel fikir, yaşamın son ortak atasından önceki dönemlerde, canlıların farklı genetik kodlarla ve hem proteinler hem de katalitik RNA'lar aracılığıyla metabolizmalarını yürüten farklı formlarda var olmuş olabileceği yönünde. Katalitik RNA'lar üzerine yapılan çalışmalar yoğun olsa da, azaltılmış bir genetik kodla ne tür kimyasal reaksiyonların mümkün olabileceği konusunda bilgimiz oldukça sınırlı.
Araştırmacılar, yapay zeka tabanlı araçların son birkaç yılda kaydettiği ilerlemenin, proteinleri daha az amino asit kullanarak yeniden tasarlamayı çok daha gerçekçi hale getirdiğini belirtiyor.
İzolösin, lösin ve valin ile yapısal olarak oldukça benzer üç amino asitten biridir. Bu amino asitlerin, diğerlerinden ayrılan yapılarında, yalnızca karbon ve hidrojenden oluşan dallanmış bir yapı bulunur. Bu da onları hidrofobik yapar ve genellikle proteinlerin iç kısımlarında, hücrenin sulu ortamından uzak dururlar. Bu benzerlik, izolösinin ortadan kaldırılması için iyi bir aday olabileceği fikrini akla getiriyor.
Yapılan analizler, E. coli genomunda, akraba proteinlerden farklı türlerdeki proteinlerde en sık yer değiştiren amino asidin izolösin olduğunu gösterdi. Bu bulgu, araştırmacıları izolösinin gerçekten gerekli olup olmadığını sorgulamaya yöneltti.
E. coli'deki yaklaşık 4.500 geni tek tek düzenlemek devasa bir görev ve bu kadar çok sayıda değişikliği aynı anda yapmak muhtemelen hücreyi öldürecektir. Bu nedenle araştırmacılar, daha küçük ölçekli deneylerle işe başladı. İlk olarak, 36 temel geni kapsayan bir set seçildi. Bu genlerdeki her bir izolösin, benzer bir amino asit olan valin ile değiştirildi ve bu değiştirilmiş genler genom içine yerleştirildi. Bu işlemin ardından 22 genin bulunduğu hücrelerde yaşam sona ererken, 17 gende izolösin olmadan yaşam devam edebildi. Hatta bu genlerden birinde, amino asit zinciri boyunca 45 farklı pozisyonda izolösinin valin ile değiştirildiği görüldü.
Dikkat çekici bir nokta ise, bu değişikliğe tolerans gösteren hücrelerde bile büyüme hızının genellikle yavaşlamış olmasıdır. Bu durum, sonraki aşamalarda da tekrar eden bir tema haline gelecektir.
Ribozomu Yeniden Tasarlamak
Projelerine odaklanmak için araştırmacılar, izolösin içermeyen bir ribozom tasarlamaya karar verdiler. Ribozom, haberci RNA'ları proteinlere dönüştüren, protein ve RNA'lardan oluşan büyük bir komplekstir. Hücresel işleyiş için gerekli temel donanım bileşenlerinden biri olarak düşünülebilir. Ribozomdaki proteinlerin birçoğu kritik enzimatik aktivitelere sahiptir. Ancak bu kompleksi bir araya getirmek için bu proteinlerin birbirleriyle ve RNA'larla etkileşime girmesi gerekir. Bu nedenle ribozom, bir amino asidin çıkarılmasının hücreler tarafından tolere edilip edilemeyeceğini anlamak için zorlu bir test zemini sunuyor.
Ön bir test olarak ekip, ribozoma protein sağlayan 50 farklı geni izolösinden-valine değiştirdi. Bu değişikliklerden 18'i belirgin bir sorun yaratmazken, 19'unda büyüme yavaşladı ve kalan 13 gende ise bu değişiklik ölümcül oldu. Ardından, düşük performans gösteren 32 gen üzerine odaklanıldı ve derin öğrenme tabanlı protein tasarım yazılımları kullanılarak izolösin içermeyen alternatif dizilimler önerildi.
Dört farklı yazılım paketinin iteratif testleri sonucunda, bu 32 proteinin 25'i için izolösini ortadan kaldıran alternatif protein dizilimleri elde edildi.
Kalan beş protein için ise izolösinin değiştirilmesine zorlandı. Ardından, yazılımın, üç boyutlu protein yapısı içinde izolösine fiziksel olarak yakın amino asitlerde değişiklikler önermesi sağlandı. Buradaki fikir, amino asit değişikliğinin protein yapısını bozabileceği ve yakındaki diğer amino asitlerdeki değişikliklerin bunu telafi edebileceğiydi. Bu yaklaşım, sorunlu beş proteinden dördünün başarılı bir şekilde yeniden tasarlanmasını sağladı.
Bu bulgular etkileyici olsa da, tek tek testler, bu yeniden tasarlanmış proteinlerin işlevsel olarak eşdeğer bir ribozom oluşturup oluşturamayacağı konusunda tam bir resim sunmuyor. Bunu anlamak için araştırmacılar, ribozomun küçük alt birimindeki tüm proteinlerden izolösini çıkarmaya karar verdiler. Bu, genlerin 10.000 baz uzunluğundaki bir DNA parçasında birbirine yakın kümelenmiş olmasından dolayı pratik bir kolaylıktı.
Küçük Adımlarla İlerlemek
Önceki çalışmalardan elde edilen yeniden tasarlanmış proteinleri kullanarak, bu 10.000 bazlık DNA parçasındaki genlerin giderek artan bölümlerini değiştirmeye başladılar. Bir taraftan başlayarak 10 geni sorunsuz bir şekilde değiştirdiler. 21 genin 17'sini değiştirdiklerinde ise hücreler daha yavaş büyümeye başladı. Ancak 18 geni aynı anda değiştirmek hücreleri tamamen öldürdü.
Bu nedenle, diğer yönden çalışmaya başladılar ve değişikliklerin, diğer yönden giderken sorunlu olarak belirlenen aynı genle karşılaşana kadar tolere edildiğini gördüler. rplW adı verilen bu gen, kritik bir engel gibi görünüyordu. 21 genin 20'sini değiştirmek ve rplW'yi olduğu gibi bırakmak, hayatta kalan ve modifiye edilmemiş bir E. coli hücresinin yaklaşık %70'i oranında büyüyen hücreler elde edilmesini sağladı.
Bu noktada ekip, yazılımın rplW için önerdiği değişiklikleri dikkatlice inceledi. Yazılımın, izolösin değişikliklerini telafi etmek için yakındaki küçük amino asit dizilimlerini sildiğini tespit ettiler. Bu durum işlevsel bir protein elde etmeyi sağlasa da, diğer tüm değişikliklerle uyumlu olmayacak kadar farklıydı.
Ekip bu aşamada deneme yanılma yöntemine başvurdu. Dört izolösin pozisyonu için farklı alternatif amino asitler öneren yazılım paketlerini kullandılar ve tüm olası kombinasyonları (toplam 16 tasarım) test ettiler. Bu tasarımlardan biri, izolösin içermeyen küçük alt birimi tamamlamayı başardı ve sonuçtaki suş, orijinal hücrelerin yaklaşık %60'ı kadar hızlı büyüdü. Hücreler 400 nesil boyunca büyütüldü ve genellikle 20-30 mutasyon kazandı, ancak bu mutasyonlardan hiçbiri ribozom proteinlerine herhangi bir izolösin geri yüklemedi.
Önemli bir nokta ise, eğer bu rplW versiyonu tek başına genom içine yerleştirilirse hücreler ölüyordu. Sadece diğer yeniden tasarlanmış proteinlerin neden olduğu tüm ribozom değişiklikleri bağlamında tolere edilebiliyordu.
Yapay Zeka Kullanımına Dair Notlar
Yapay zeka araçlarının yoğun kullanımı olmadan bu sonuçların elde edilip edilemeyeceği belirsizliğini koruyor. Kullanılan tüm protein tasarım araçları yapay zeka tabanlıydı ve sonuçları Nobel ödüllü yapay zeka protein yapısı yazılımı AlphaFold 2 ile kontrol edildi. Makalenin yazarları, yapay zeka yazılımlarının biyologların muhtemelen kaçınacağı önerilerde bulunduğu birçok örneğe dikkat çekiyor. Bunlar arasında yapısal olarak esnek, nötr izolösinin yüklü bir amino asit veya katı bir yapıya kilitlenmiş bir amino asit ile değiştirilmesi de bulunuyor.
Bununla birlikte, sonuçlar mevcut yapay zeka modelleriyle çalışmanın sınırlamalarını da gösteriyor. Çünkü insanlardan farklı olarak, karar verme süreçlerini gerçekten açıklayamıyorlar. Örneğin, bazı modeller birbirinden çok farklı önerilerde bulundu, bu da araştırmacıların farklı olası dizilim alanlarını keşfettikleri anlamına gelebilir. Ancak bunun gerçekten böyle olup olmadığını veya her modelin diğerinin önerilerini matematiksel olarak neden beğenmediğini bilmiyoruz.
Bu, makaledeki, araştırmacıların modelin ne yaptığını çıktısına dayanarak geriye doğru anlamlandırmaya çalıştığı birçok durumdan sadece biri. En az bir durumda, yazılım, izolözinin bulunduğu alfa heliks yapısının tamamını yeniden tasarladı ve bunun nedenini tahmin etmek bile mümkün olmadı.
Bu durum, şu anda bu yazılım paketlerinin araçlar olduğunu hatırlatıyor: Bize normalde mümkün olmayacak şeyleri yapmamıza izin veriyorlar, ancak süreçleri tam olarak anlamamıza pek yardımcı olmuyorlar. Karar verme süreçlerini anlamak için hala kendi zihnimizdeki sinir ağlarını kullanmamız gerekiyor.
Bu durum zorunlu olmak zorunda değil; yazılımın geliştirilmesi sırasında iç işleyişini daha fazla ortaya koymaya odaklanarak karar verme süreci hakkında bazı içgörüler elde edebiliriz. Ancak şimdilik, işe yarayan bir ürün elde etmeye odaklanıldığı anlaşılıyor.
Muhteşem Bir Başarı, Peki Ne Kadar Kullanışlı?
Genel olarak, bu çalışma hayranlık uyandırıcı. Bu proteinlerin birbirleriyle, ribozomal RNA'lar, transfer RNA'lar, haberci RNA'lar, ribozomun ürettiği büyüyen proteinler ve hatta büyük alt birimdeki normal proteinlerle etkileşime girmesi gerekiyor. Her biri, birbirleriyle çalışma yeteneğini geliştirmek için milyarlarca yıl harcadı. Sisteme bu kadar köklü değişiklikleri birkaç yıl içinde yapabilmiş olmamız inanılmaz.
Bu hücreleri neyin yavaşlattığını hala bilmiyoruz. Revize edilmiş ribozomun daha az doğru olması, daha sık hatalı amino asit zincirleri üreterek daha fazla kusurlu protein yapması olası. Veya katalitik olarak daha yavaş olabilir ve hücre büyümesi için bir darboğaz haline gelebilir. Bunlar üzerine kesinlikle deneyler yapılabilir ve suşa evrimleşmesi için zaman tanımak büyüme hızını biraz geri getirebilir.
İzolösin içermeyen bir genom elde etmek için bunu bir başlangıç noktası olarak kullanabilir miyiz? Bunu hala "belki" kategorisinde değerlendiriyorum. Hücrede başka birçok büyük protein kompleksi var ve yapay zeka araçlarının zorlanabileceği bazıları olabilir. Bu laboratuvarların bu yolda devam etmek için zamanı ve finansmanı olup olmadığını göreceğiz. Yine de, evrensel ortak atadan önceki yaşam hakkında bize çok fazla bilgi vereceğinden şüpheliyim, çünkü hücrenin geri kalanında bu arada çok şey değişti.
Bununla birlikte, bu çalışma diğer bilim insanlarını sınırlı bir genetik koda sahip hücrelerin nasıl görünebileceğine dair daha iyi bir resim sunabilecek deneyler düşünmeye teşvik etmesi açısından etkili olabilir.
