Yüzyıllardır insanlık şu temel sorunun yanıtını arıyor: Cansız maddeyi, nefes alan canlı bir yaşamdan ayıran şey tam olarak nedir? Geçmişte bu iki dünya arasındaki köprüyü kurmak için gizemli, “sihirli bir kıvılcım” gerektiğine inanırdık. Ancak Minnesota Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı, tamamen sıfırdan canlı bir organizma inşa ederek bu tabuyu yıktı.
“SpudCell” adı verilen bu insan yapımı hücre; beslenebiliyor, büyüyebiliyor ve tıpkı organik bir hücre gibi çoğalabiliyor. En çarpıcı noktası ise tamamen cansız kimyasallardan üretilmiş olması. Biyolojik döngüyü saf kimya ile taklit eden bu buluş, yalnızca modern bilimin kurallarını yeniden yazmakla kalmıyor; ilaç, gelişmiş materyal ve endüstriyel kimyasal üretimini kökten değiştirecek “kişiselleştirilmiş canlı makinelerin” de kapısını aralıyor.
SIFIRDAN BİR YAŞAM İNŞA ETMEK
Sentetik biyoloji dünyasında tarihi bir dönüm noktası olarak kayıtlara geçen bu projede, Minnesota Üniversitesi Biyolojik Bilimler Fakültesi’nden Doç. Dr. Kate Adamala ve Doç. Dr. Aaron Engelhart liderliğindeki araştırma ekipleri, tam bir biyolojik yaşam döngüsünü tamamlayabilen dünyanın ilk yapay hücresini geliştirdi.
Mevcut canlıların genetiğini değiştiren önceki çalışmaların aksine, SpudCell tamamen cansız kimyasal bileşenlerden bir araya getirildi. Buna rağmen organik bir hücrenin şu temel davranışlarını eksiksiz sergiliyor:
-Beslenme
-Büyüme
-Kendini kopyalama (Çoğalma)
“Bu muhtemelen şimdiye kadar çalıştığım en heyecan verici proje,” diyor Prof. Adamala. “Eskiden sadece biyolojide mümkün olduğu düşünülen bir hücrenin tüm davranış setini, saf kimya ile taklit etmeyi başardık. Bu, büyüme ve çoğalma gibi yaşamın en temel işlevlerinin sihirli bir kıvılcıma ihtiyaç duymadığının en büyük kanıtıdır.”
HÜCRE İSKELETİ OLMADAN ÇOĞALMAYA BAŞLADI
Cansız kimyasallara hayat vermek için Minnesota ekibinin, sentetik biyolojinin önünde uzun süredir büyük bir engel olan mekanik bir problemi çözmesi gerekiyordu: Hücre bölünmesi.
Doğal, organik hücreler bölünmek ve birbirinden ayrılmak içinhücre iskeleti (cytoskeleton) adı verilen karmaşık bir iç yapıya ihtiyaç duyarlar. Bu karmaşık mimariyi laboratuvarda sıfırdan yaratmak son derece zordur. SpudCell’in yaratıcıları ise bu sorunu zekice bir yöntemle çözdü:
Protein Sıkışması: Hücrenin içine bir iskelet kurmak yerine, hücrenin dış membranında (zarında) toplanan ve bir araya gelen özel füzyon proteinleri tasarlandı.
Mekanik Stres: Bu proteinler dış zarda sıkışıp yoğunlaştıkça, yüzeyde muazzam bir mekanik baskı oluşturuyor.
Bölünme: Oluşan bu fiziksel baskı, en nihayetinde hücreyi tam ortadan ikiye bölünmeye zorluyor.
Araştırma ekibi, SpudCell’in genetiğiyle oynayarak bu özel füzyon proteininin üretimini artırdı. Sonuçta, hızlandırılmış oranlarda büyüyen ve çok daha fazla sayıda “yavru” üreten sentetik hücreler elde edildi. Böylece; seçilim, genom replikasyonu (kopyalanması), büyüme, beslenme ve genetik olarak kodlanmış bölünme gibi tüm biyolojik aşamalar başarıyla tamamlandı.
LABORATUVARDAN GERÇEK DÜNYAYA HÜCRELER
SpudCell doğmadı, tamamen laboratuvarda tasarlandı. Bu yüzden yüksek düzeyde modüler (parçalı) bir yapıya sahip. Bu durum, bilim insanlarının tıpkı bir akıllı telefona uygulama yükler gibi, hücrenin farklı işlevlerini birbirinden bağımsız olarak “programlamasına” olanak tanıyor.
Günümüzde hayati ilaçlar, gelişmiş malzemeler ve endüstriyel kimyasallar üretmek için ya doğal hücrelerin genetiği manipüle ediliyor ya da çevreye zarar veren, yüksek enerji tüketen ağır sanayi kimyasına başvuruluyor. Sıfırdan inşa edilen yapay hücreler ise geleneksel üretimin asla taklit edemeyeceği hassas ve özel moleküler dönüşümleri gerçekleştirerek bu endüstrilerde bir devrim yaratabilir.
ÖNÜMÜZDEKİ BÜYÜK ENGELLER NELER?
SpudCell’in tekil başarılarını seri ve akışkan bir mühendislik hattına dönüştürmek zaman alacak. Projenin önündeki temel zorluklar iki başlıkta toplanıyor:
Genetik Fragmanlar: Hücrenin genetik haritası şu an için hala parçalı durumda. Sistem, plazmit adı verilen 7 ayrı DNA molekülüne dayanıyor. Araştırmacıların öncelikli hedefi, bu plazmitleri stabilize ederek tek ve birleşik bir genom haline getirmek.
Küresel Standart Eksikliği: Sentetik biyoloji henüz çok yeni bir alan olduğundan, dünya genelindeki laboratuvarlar arasında çalışan hücreleri inşa etmek ve analiz etmek için ortak bir standart bulunmuyor.
“Bu çalışmayı ölçeklendirmek son derece zordu,” diye açıklıyor Prof. Adamala. “Bu alandaki pratik bilgi ve teknikleri aktarmak çok güç. Belirli yöntemlerin çalışmasını sağlamak için dünyanın dört bir yanındaki ortaklarımızın bizzat laboratuvarımıza uçması gerekti. Bu, sürdürülebilir ve ölçeklenebilir bir yöntem değil.”
YAPAY YAŞAMIN EVRENSEL İŞLETİM SİSTEMİ
Bu küresel kopukluğu gidermek ve endüstriyel bir standart yaratmak için araştırmacılar, Biotic adı verilen uluslararası bir iş birliği girişimini kullanıyor. Biotic’i yapay yaşam için evrensel bir işletim sistemi gibi düşünebilirsiniz. Bu sistem, küresel laboratuvarların her seferinde “tekerleği yeniden icat etmek” zorunda kalmaması için ortak protokoller belirliyor.
Projenin arkasındaki ekip, kapalı ve patentli sistemler yerine bu açık kaynaklı çerçeveyi savunuyor. Prof. Adamala’nın da belirttiği gibi:”Özel şirketler tarafından inşa edilen bir altyapı foundationı, gelecekte birilerinin oraya turnike koyup harç kesmesinden başka bir işe yaramaz.” Bilim insanları küresel iş birliği sayesinde, programlanabilir yapay yaşamın küresel sağlık ve endüstriyel talepleri karşılayacak şekilde güvenli, denetimli ve açık bir şekilde ölçeklenmesini hedefliyor.