Sentetik Biyoloji (Synthetic Biology) ve Biyolojik İşletim Sistemleri

Sentetik Biyoloji ile DNA\’yı Yeniden Programlamak

Özellik ne işe yarar?

Tarihsel olarak biyoteknoloji, var olan organizmaları analiz etmek veya hafifçe değiştirmek (genetik modifikasyon) üzerine kuruluydu. Sentetik Biyoloji ise, biyolojiyi bir mühendislik ve yazılım disiplini olarak ele alır; amacı var olanı değiştirmek değil, doğada hiç bulunmayan genetik devreler, enzimler ve organizmalar (hücreler) tasarlayıp üretmektir. Nasıl ki bir bilgisayar programcısı \’If-Then-Else\’ mantıksal kapılarıyla bir yazılım kodluyorsa, sentetik biyologlar da DNA\’nın Adenin (A), Timin (T), Sitozin (C) ve Guanin (G) harflerini kodlayarak bakterilerin veya maya hücrelerinin birer biyolojik fabrika gibi çalışmasını sağlar. \’Biyolojik İşletim Sistemi\’ (Biological OS) kavramı, hücrenin içine yüklenen ve hücrenin metabolizmasını hackleyerek istenilen hedefi üretmesini sağlayan genetik dizilimler bütünüdür. Bu teknoloji sayesinde bakteriler programlanarak havadaki karbonu emip biyolojik olarak çözünebilen plastikler üretebilir, karanlıkta parlayan bitkiler tasarlanabilir, laboratuvarda gerçek et hücreleri geliştirilebilir (hücresel tarım) veya doğrudan tümör hücrelerine yapışıp sadece orada toksin salgılayan akıllı ve programlanabilir probiyotikler (bakteriler) ile kanser tedavisi yapılabilir.

Nasıl uygulanır?

Bir sentetik biyoloji uygulaması başlatmak için, Ginkgo Bioworks veya Asimov gibi biyo-tasarım şirketlerinin sunduğu genetik donanım platformlarından (Bio-CAD yazılımları) yararlanılır. Bilgisayar ekranında, tıpkı elektronik devre çizer gibi, bir promotör (başlatıcı), bir sensör geni ve bir çıktı geni birleştirilerek genetik bir kaset (plasmid) tasarlanır. Bu tasarım, bulut bağlantılı bir DNA sentezleyici makineye gönderilir ve kod dijital ortamdan fiziksel DNA molekülüne basılır (DNA Sentezi). Üretilen bu sentetik DNA, bir bakteri hücresine (örneğin E. coli) yerleştirilir (Transformasyon). Hücre bu yeni kodu kendi çekirdek DNA\’sının bir parçası olarak okur ve yazılımdaki talimata uygun olarak yeni bir protein sentezlemeye başlar. Başarılı olan suşlar (hücre grupları) devasa biyoreaktörlerde çoğaltılarak (fermantasyon) endüstriyel üretim ölçeğine taşınır.

İyi sonuç için ipuçları

Biyolojik sistemler elektronlardan farklı olarak öngörülemezdir (mutasyona uğrayabilir veya ölebilirler). Kodladığınız sentetik hücrenin doğal mutasyonlarla ana görevinden sapmasını (evrimsel bozulma) önlemek için genetik kodun içine hata ayıklama (error correction) ve intihar şalterleri (kill switches) ekleyin. Yüksek hacimli üretim yapabilmek için, metabolik yollardaki enerji darboğazlarını önceden tespit eden makine öğrenmesi modelleri ile hücrenin besin tüketimini (örneğin şeker) analiz edip en optimize genetik dizilimi belirleyin.

Dikkat edilmesi gerekenler

Sentetik organizmaların çevreye sızması ekolojik felaketlere veya biyogüvenlik tehditlerine yol açabileceği için bu hücrelerin laboratuvar veya reaktör dışında yaşayamayacak şekilde (örneğin doğada bulunmayan sentetik amino asitlere bağımlı kılındığı Biyolojik İzolasyon – Biocontainment yöntemleriyle) programlanması hukuki ve etik bir zorunluluktur. Biyogüvenlik seviyesi (BSL) yönetmeliklerine sıkı sıkıya uyun. Tasarım ekranlarında gerçek genetik virüs şemalarından kaçının, sadece standart endüstriyel bakteri modellemelerini ve Bio-CAD arayüzlerini kullanın.