Araştırmacılar tıbbi ve endüstriyel uygulamalar için virüse dirençli, güvenli bir şekilde sınırlandırılmış E. coli üretti.
Genetik mühendisliği ve sentetik biyoloji alanında ileri bir adım atan araştırmacılar, Escherichia coli bakterilerinin bir türünü doğal viral enfeksiyonlara karşı bağışıklık kazanacak şekilde modifiye ederken, bakterilerin veya modifiye edilmiş genlerinin doğaya kaçma potansiyelini de en aza indirdiler.
Bu çalışma, insülin gibi ilaçların yanı sıra biyoyakıtlar gibi diğer faydalı maddeleri üretmek için bakterilerden yararlanırken viral kontaminasyon tehditlerini azaltmayı vaat ediyor. Halihazırda, bakteri tanklarına bulaşan virüsler üretimi durdurabiliyor, ilaç güvenliğini tehlikeye atabiliyor ve milyonlarca dolara mal olabiliyor.
Sonuçlar 15 Mart’ta Nature dergisinde yayımlandı.
Çalışmanın ilk yazarı, Harvard Tıp Fakültesi Blavatnik Enstitüsü ve Wyss Biyolojik Esinli Mühendislik Enstitüsü’nde George Church’un laboratuvarında genetik alanında araştırma görevlisi olan Akos Nyerges, “Bilinen herhangi bir virüs tarafından enfekte edilemeyen bir organizma tasarlamak için ilk teknolojiyi geliştirdiğimize inanıyoruz” dedi.
Nyerges, “Virüse tamamen dirençli olduğunu söyleyemeyiz ancak kapsamlı laboratuvar deneyleri ve hesaplama analizlerine dayanarak şu ana kadar onu kırabilecek bir virüs bulamadık” dedi.
Bu çalışma aynı zamanda, modifiye genetik materyalin doğal hücrelere dahil edilmesini önleyen ilk yerleşik güvenlik önlemini de sağlıyor.
Yazarlar, çalışmalarının herhangi bir organizmayı virüslere karşı bağışık hale getirmek ve genetiği değiştirilmiş organizmaların (GDO) içine ve dışına gen akışını önlemek için genel bir yöntem önerdiğini söyledi. Bu tür biyo-muhafaza stratejileri, gruplar mahsul yetiştirmek, hastalık yayılımını azaltmak, biyoyakıt üretmek ve kirleticileri açık ortamlardan uzaklaştırmak için GDO’ların güvenli bir şekilde kullanılmasını araştırdıkça artan bir ilgi görüyor.
Öncekilerin Üzerine İnşa Etmek
Bulgular, genetik mühendislerinin yararlı, güvenli, virüse dirençli bir bakteri elde etmek için daha önceki çabalarına dayanıyor.
2022 yılında Cambridge Üniversitesi’nden bir grup, virüslere karşı bağışıklığı olan bir E. coli türü ürettiklerini düşündü.
Ancak daha sonra Nyerges, HMS Blavatnik Enstitüsü’nde biyomedikal bilişim alanında yardımcı doçent olan Michael Baym’ın laboratuvarında araştırma görevlisi Siân Owen ve yüksek lisans öğrencisi Eleanor Rand ile birlikte çalıştı. Tavuk ahırları, fare yuvaları, kanalizasyon ve HMS kampüsünün aşağısındaki Muddy Nehri gibi E. coli ile dolu yerel bölgelerden örnek aldıklarında, modifiye edilmiş bakterileri hala enfekte edebilen virüsler keşfettiler.
Nyerges, bakterilerin virüse karşı tamamen dirençli olmadığını keşfetmenin “kötü bir şey olduğunu” söyledi.
İlk yöntem, E. coli‘yi genetik olarak yeniden programlayarak, yaşamı devam ettiren tüm proteinleri doğal olarak oluşan 64 yerine 61 genetik yapı taşı ya da kodon setinden üretmeyi içeriyordu. Buradaki fikir, eksik kodonlar olmadan çoğalamayacakları için virüslerin hücreleri ele geçiremeyeceğiydi.
Ancak HMS ekibi kodonları silmenin yeterli olmadığını anladı. Bazı virüsler eksik parçaların etrafından dolanmak için kendi teçhizatlarını getiriyorlardı.
Böylece Nyerges ve meslektaşları, bu kodonların bir organizmaya yapmasını söylediği şeyi değiştirmenin bir yolunu geliştirdi – bilim insanlarının canlı hücrelerde bu ölçüde yapmadığı bir şey.
Translasyonda Kayıp
Anahtar, transfer RNA’larında ya da tRNA’larda mevcuttu.
Her bir tRNA’nın rolü, belirli bir kodonu tanımak ve inşa edilmekte olan bir proteine karşılık gelen aminoasidi eklemektir. Örneğin, TCG kodonu eşleşen tRNA’ya serin amino asidini eklemesini söyler.
Bu durumda, Cambridge ekibi TCG’yi kardeş kodon TCA ile birlikte silmişti. Bu da serin gerektiriyordu. Ekip ayrıca ilgili tRNA’ları da çıkarmıştır. HMS ekibi şimdi onların yerine yeni, hileci tRNA’lar ekledi. Bu tRNA’lar TCG veya TCA’yı gördüklerinde, serin yerine lösin eklerler. Nyerges, “Lösin, fiziksel ve kimyasal olarak serinden olabildiğince farklıdır” dedi.
İstilacı bir virüs TCG ve TCA ile dolu kendi genetik kodunu enjekte edip E. coli‘ye viral proteinler yapmasını söylemeye çalıştığında, bu tRNA’lar virüsün talimatlarını bozar.
Yanlış aminoasitlerin eklenmesi, yanlış katlanmış, işlevsiz viral proteinlerle sonuçlanır. Bu da virüsün replike olamayacağı ve daha fazla hücreyi enfekte edemeyeceği anlamına gelir.
Ancak virüsler de kendi tRNA’ları ile donatılmıştır. Bunlar hala TCG ve TCA’yı doğru bir şekilde serine dönüştürebilir. Ancak Nyerges ve meslektaşları, tanıttıkları hileci tRNA’ların işlerinde o kadar iyi olduklarına dair kanıtlar sundular ki viral muadillerini alt ettiler.
Nyerges, “Bir organizmanın genetik kodunu değiştirmenin mümkün olduğunu göstermek çok zordu ve büyük bir başarıydı,” diyor ve ekliyor, “ancak bu şekilde yaparsak işe yarıyor.”
Yazarlar, çalışmanın bir bakteriyi tüm virüslere karşı bağışık hale getirmede son engeli de aşmış olabileceğini ancak korumayı kırabilecek bir şeyin ortaya çıkma ihtimalinin hala bulunduğunu söyledi.
Ekip, değiştirilmiş kodonların üstesinden gelmenin bir virüsün aynı anda düzinelerce spesifik mutasyon geliştirmesini gerektireceğini bilmenin güvenini taşıyor.
Nyerges, “Bu doğal evrim için çok ama çok düşük bir ihtimal,” dedi.
Güvenlik Önlemleri
Çalışma iki ayrı koruma tedbiri içermektedir.
Bunlardan ilki, genetik kod parçacıklarının ve bunlara eşlik eden antibiyotik direnci gibi özelliklerin bir organizmadan diğerine aktarıldığı sürekli meydana gelen bir olgu olan yatay gen transferine karşı koruma sağlar.
Nyerges ve meslektaşları, modifiye edilmiş E. coli hücrelerindeki genler boyunca ikame yaparak bu sonucu kısa devre yaptı. Böylece lösin gerektiren tüm kodonlar TCG veya TCA ile değiştirildi – modifiye edilmemiş bir organizmada serin gerektiren kodonlar. Bakteri, hileci tRNA’ları sayesinde bu yerlerde hala doğru şekilde lösin üretiyordu.
Ancak başka bir organizma değiştirilmiş parçacıklardan herhangi birini kendi genomuna dahil ederse, organizmanın doğal tRNA’ları TCG ve TCA’yı serin olarak yorumlayacak ve herhangi bir evrimsel avantaj sağlamayan önemsiz proteinlerle sonuçlanacaktır.
Nyerges, “Genetik bilgi anlamsız olacak” dedi.
Benzer şekilde ekip, E. coli‘nin hileci tRNA’larından birinin başka bir organizmaya aktarılması durumunda, serin kodonlarını lösin kodonları olarak yanlış okumasının hücreye zarar verdiğini veya öldürdüğünü ve daha fazla yayılmayı önlediğini gösterdi.
Nyerges, “Kaçan herhangi bir değiştirilmiş tRNA, doğal organizmalar için toksik olduğundan fazla uzağa gidemeyecektir” dedi.
Çalışmanın, genetiği değiştirilmiş organizmalardan doğal organizmalara yatay gen transferini önleyen ilk teknolojiyi temsil ettiğini söyledi.
İkinci güvenlik önlemi için ekip, bakterileri kontrollü bir ortamın dışında yaşayamayacak şekilde tasarladı.
Ekip, E. coli‘yi doğada bulunmayan laboratuvar yapımı bir aminoaside bağımlı hale getirmek için Church Laboratuvarı tarafından geliştirilen mevcut bir teknolojiyi kullandı. Örneğin, insülin üretmek için bu E. coli‘leri yetiştiren çalışanlar, onları doğal olmayan amino asitle besleyecekti. Ancak herhangi bir bakteri kaçarsa, bu amino aside erişimini kaybedecek ve ölecekti.
Nyerges, bu nedenle hiçbir insan ya da diğer canlıların “süper bakteriler” tarafından enfekte edilme riski altında olmadığını vurguladı.
Nyerges, aksi takdirde pahalı kimya gerektiren tıbbi açıdan yararlı sentetik malzemeler üretmek üzere bakterileri ikna etmek için bir araç olarak kodon yeniden programlamayı keşfetmeyi dört gözle bekliyor. Diğer kapılar henüz açılmadı.
“Kim bilir başka neler var?” diye düşündü. “Keşfetmeye daha yeni başladık.”[1]Revolutionizing Biotechnology: Scientists Create Supercharged Bacteria with Immunity to Viral Infections[2]Öne çıkarılan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
