Biyoteknolojide –teknolojinin- anlaşılması
Bu sayfa biyoteknolojide kullanılan biyolojik molekülleri size tanıtmak ve genetik mühendisliğinin temel prensipleri üzerine size rehberlik etmek üzere hazırlanmıştır. Ardından söz konusu olan bazı güçlüklere ve modern gelişmelerle bunların nasıl üstesinden gelinebileceğine daha yakından bakacağız.
Biyoteknolojik süreçlerle yeni ilaç tedavilerinin geliştirilmesi
Yakın zamanda satılmaya başlanan beta interferonlara ‘rekombinant proteinler’ dendiğini fark etmişsinizdir. Bunlar biyoteknolojik işlemler yoluyla üretilirler.
Beta interferonlar, bu şekilde üretilen, sayıları giderek artan ve yaşamımızın bir parçası olan ilaçlara dahildir. Kimileri hayat kurtarıcı tedaviler iken, kimileri de milyonlarca kişinin yaşam kalitesini artırmaktadır.
Fakat bu hayati öneme sahip tedavilerin üretildiği teknikler, genetik esasları nedeniyle bazen endişeye yol açmaktadır. ‘Rekombinant ilaçların’ nasıl yapıldıklarını hiç merak ettiniz mi?
Biyoteknolojinin ardındaki mantığı ve lojistiğini daha iyi anlamak, böyle bir yaklaşımın neden bu kadar değerli olduğunu göstermek suretiyle tüm korku ve karışıklıkları yatıştırmaya yardımcı olabilir.
Biyoteknolojinin tanımı
Bi-yo-tek-no-lo-ji
Biyolojik süreçlerin tıp ve endüstride kullanılan malzemelerin üretim süreçlerine uygulanması için geliştirilen teknikler. Örneğin çoğu antibiyotiğin üretimi, çeşitli mantar ve bakterilerin aktivitesine dayanmaktadır. Genetik mühendisliğinde yakın zamanda geliştirilen teknikler, hormonların, aşıların, interferonların ve diğer yararlı ürünlerin geniş-ölçekte üretilmesini mümkün kılmıştır.
Proteinler neden gereklidir?
Biyoteknoloji ürünlerinin çoğu “rekombinant proteinlerdir”.Proteinler yaşam için gerekli olan önemli yapısal ve düzenleyici moleküllerdir. Bazı proteinler terapötik olarak da kullanılabilirler. Örneğin, protein yetmezliğinin neden olduğu bazı hastalıklar, bizzat insan proteini ile tedavi edilebilir.
Ne yazık ki, insan proteinlerinin hastalıkların tedavisindeki önemi uzun zamandan beri biliniyor olmasına rağmen, insan dokularından sadece çok küçük miktarlar elde edilebilmektedir.
Bununla birlikte, terapötik kullanım için yeterli miktarda yüksek kaliteli insan proteini üretmek biyoteknoloji sayesinde artık mümkündür.
Temel denklem basit bir eşitliktir: Genlerde bulunan DNA, daha sonra proteinleri kodlayacak olan RNA denen bir şablon kodlar (bakınız şekil). Biyoteknoloji, terapötik miktarlarda ilaç üretimi için bu denklemi büyük ölçekli olarak kullanmaktadır.
İlk adımlar
Terapötik proteinlerin yapımında biyoteknolojinin nasıl kullanılacağını anlamak için, gelin önce bilim adamlarının genetik bilginin daha önce düşünüldüğü gibi proteinlerde değil, hücre çekirdeğinde bulunan deoksiribonükleik asitte (DNA) depolandığını keşfettikleri 1944 yılına gidelim.
Bu önemli bir buluştu, çünkü biyoteknolojideki en önemli denkleme doğru ilk adımı oluşturuyordu: genler proteinler için bir kod taşıyorlardı.
1953 yılında Crick ve Watson, Maurice Wilkins ve Rosalind Franklin’in sağladığı deneysel verileri kullanarak DNA’nın yapısını çözmek suretiyle bunun nasıl işlediğini gösterdiler.
Crick ve Watson, DNA’nın, çiftli sarmal halinde iç içe geçmiş, birbirini tekrarlayan basit birimlerden oluşan muazzam uzunlukta iki zincirden oluştuğunu göstermişlerdir. Her zincirin basamakları içe doğru uzayan spiral bir merdivene benzeyen bir “omurgası” vardır. Dört farklı baz bulunmaktadır: adenin, guanin, timin ve sitozin. Yapısal ve elektriksel nedenlerle, adenin daima timinle, sitosin ise guaninle eşleşmektedir.
Kodonun kırılması
Crick ve Watson, DNA’ nın sarmal yapısını ve bu yapının çağrışımlarını ortaya koyan kişilerdi. Eğer çiftli sarmalı “bir fermuar gibi” açarsanız iki tekli zincir elde edersiniz. Bazların birbirleri ile eşleşme şekli nedeniyle, bu tek zincirlerin her biri, ana molekülün tam bir kopyasına dönüşecek bir şablon oluşturmaktadır.
Kalıtım mükemmel bir kopyalamaya bağlı olduğundan bu durum önem taşımaktadır. Aşağıdaki grafikte, bunun DNA’ nın yapısının doğasında saklı olduğunu göreceksiniz.
Crick ve Watson, DNA molekülündeki baz dizisinin bir şekilde proteinleri kodladığını ileri sürmüştür. 21 farklı amino asit vardır ve bunlar proteinlerin temel yapı taşlarını oluştururlar. Bir proteindeki amino asitler, birbirlerine uç uca bağlanarak, daha sonra kıvrılarak üç boyutlu bir kompleks şekline dönüşen uzun bir dizi oluştururlar. Proteinin amino asit sırasının tamamını belirleyen DNA’ daki kodon sırası bir gen olarak isimlendirilir. Tipik bir insan hücresinin DNA’sında yaklaşık 100,000 gen bulunmaktadır.
Nihayet 1960’ların başlarında bilim adamları genetik kodu çözdüler. Bilim adamları genetik bilginin, kodon adı verilen üç bazlık bir dizi olduğunu göstermişlerdir. Her bir kodon, tek bir amino asidi tanımlamaktadır.
Bir protein nasıl üretilir?
Bir protein yapmak için, DNA tek bir genin uzunluğunca “fermuar gibi açılır”. “Açma sonucu” RNA polimeraz adlı bir enzimin üzerinde ribonükleik asit (yada RNA) denilen bir oğul nükleik asit oluşturulabileceği bir şablon ortaya çıkar.
Bu sürece, genetik bilgi kopyalandığı ya da farklı bir yere yazıldığı için transkripsiyon adı verilir (bakınız şekil).
RNA oluşur oluşmaz çekirdekten, sitoplazmadaki büyük protein üretim yerlerine yani; kodun sırasını belirtilen amino asit dizisine çeviren ribozomlara göç eder. Bunu bir talimat setinin farklı bir dile tercüme edilmesi olarak da düşünebilirsiniz.
Yeni oluşmuş proteinler, ribozomlardan, fonksiyonel bir protein kompleksi oluşturmak için karbonhidrat zincirleri ile giydirilecekleri paketleme tesisine – endoplazmik retikuluma- aktarılırlar. Bu son paketlemeye glikolizasyon denir. Bu, daha sonra göreceğimiz gibi biyoteknolojide önemli etkilere sahiptir.
Biyoteknolojinin yükselişi
Bakteriler gibi oldukça küçük olanlar dahil olmak üzere, tüm hücrelerin DNA’ dan protein üretme mekanizması birbirine benzemektedir. Gerçekte, 1970’lerin başlarında bakteri ve virüslerde bazı önemli proteinlerin (enzimlerin) keşfine dek biyoteknoloji çalışmalarını gerçekleştirmek mümkün olmadı. Bu enzimler aşağıdaki gibidir:
- restriksiyon endonükleaz (DNA’yı sınırlı alanlarda dilimleyen)
- DNA ligaz (DNA fragmanlarını uç uca bağlayan)
- revers transkriptaz ( transkripsiyonu RNA’ dan DNA’ ya tersine çeviren)
Bu enzimler biyoteknoloji araçlarıdır. Önemli insan genlerini bölmek ve bakterilerin DNA’ sı ile birleştirmek için kullanılabilirler.
İnsan ve bakteri genlerinin rekombinasyonu, biyoteknolojinin esas ilkesidir ve rekombinant DNA teknolojisine adını verir. Bakteriler çok hızlı çoğaldığından oldukça değerlidir. Doğru koşulları yakaladığınızda, bakteri sayısı her 20 dakikada bir iki katına çıkabilir. Bu da, terapötik amaçlarla yüksek miktarda protein üretimi için kullanılabilecekleri anlamına gelir.
Modern sentez
Bir rekombinant protein üretmek için, ilk olarak bir miktar insan DNA’sı izole edin ve bir restriksiyon endonükleaz ile dilimleyerek parçalarına ayırın. Bu işlem, belirli genleri ihtiva eden birçok özgün DNA parçalarının oluşması ile sonuçlanır.
Daha sonra, bazıları plazmid denilen ilmikler içinde bulunan bakteri DNA’sı ile yukarıdaki işlemi tekrarlayın. Çoğunlukla, eğer doğru dilimleyiciyi kullanmışsanız, ilmiği sadece bir yerden kesip açabilirsiniz. Sonra, ihtiyacınız olan geni taşıyan bir insan DNA parçasını, açılmış bakteri plazmidi ile karıştırın.
Son olarak, insan geni ihtiva eden bir plazmid yaratmak için, insan ve bakteri DNA parçalarını bir DNA ligaz ile yeniden birleştirin.
Bir rekombinant DNA plazmidini bir kere yaptıktan sonra, bunu proteininizi sentezlemede kullanmak için onu yeniden bakterinin içine nakletmeniz gerekir. Bu tekniğe transfeksiyon denilir. Plazmidlerinde insan geni bulunan bakteriler, hücre kültüründe yetiştirilirler ve kendi hücresel mekanizmalarını kullanarak rekombinant insan proteinini sentezlemeye başlarlar.
Büyük düşünün
Tıbbi amaçla bu yöntemleri kullanarak endüstriyel ölçekte rekombinant bir protein üretmek teknik anlamda çok şey gerektirmektedir. Malzemelerin hassasiyetle kullanılması ve çok dikkatli bir kalite kontrolü gerekir.
Başlıca üretim aşamaları:
- fermantasyon – bakteri kültürü, besleyici bir çorba (kültür) içeren bir dizi kapalı tankta yapılır.
- hasat – fermantasyonun ardından hücrelerin içindeki proteini almak için hücreler santrifüjlenir
- pürifikasyon – istenen protein türü, kimyasal çökeltme ve kromatografi gibi teknikler kullanılarak yaklaşık 5,000 normal bakteryel proteinden ayrıştırılır
- formülasyon – istenen protein, tedavi amaçlı uygulamada kullanılabilecek stabil, steril bir forma dönüştürülür. Midede bozundukları için proteinlerin tablet halinde verilemediğini hatırlayınız.
Laboratuar test tüpünden sanayi tipi bir fermentasyon cihazına geçiş her zaman kolay olan bir süreç değildir. İlacın verimini, saflığını, aktivitesini ve stabilitesini artırmak için üretim adımlarından her birinin giderek fazlalaşan manipülasyonlara tabi tutulması gerekir.
İşlem sırasında sadece birkaç ayarlamayı gerektiren bazı bileşiklerde bu kolayca gerçekleştirilebilir. Diğerleri daha özeldir ve çok fazla zaman ve dikkat gerektirebilir. Bu da son ürünün maliyetini artırabilir. Fakat olasılıkla bileşiğin orijinal kaynağından tıbbi miktarlarda ayrıştırılması kadar masraflı olmayacaktır.
Bakteri mi virüs mü?
Terapötik kullanım için rekombinant proteinlerin üretilmesi sırasındaki saflık, verim, biyolojik aktivite ve stabilite, proteinin üretilmesi için kullanılan hücrenin tipine de bağlıdır.
Günümüzde, bakteriler gibi, diğer bütün hücre tipleri de kullanılabilmektedir. Örneğin, memeli ya da böcek hücrelerinin içine insan geni eklemek için bir virüsü kullanabilir ve bunları kültürde yetiştirebilirsiniz.
Bununla birlikte, bu hücrelerin bazıları kültürde iyi yetişmezler ve çoğu (bakteriler dahil) tedavi açısından doğal insan proteini kadar etkili olmayan hafif değişikliğe uğramış proteinler üretirler.
Zor bir ikilem
Rekombinant proteinlerin aktivitelerinin azalması sorununun açık çözümü, insan hücrelerinde protein yetiştirmektir.
Ne yazık ki, insan hücreleri sanayi fermantasyon koşullarında büyüyemez ve hatta küçük ölçekte kültürleri yapıldığında bile daha fazla protein üretemezler. Fakat bu ikilemin dışında bir yol vardır ve DNA kodunun doğasına bağlıdır.
Bir amino asitin baz üçlüsü ile kodlandığını hatırlayalım. DNA üzerindeki tek bir kod değiştirilerek proteinin amino asit dizisi değiştirilebilir. Evrimdeki doğal seçiciliğin analogu olan biyoteknoloji aracı kullanılarak yapılabilir.
Evrimde olduğu gibi, proteinlerin amino asit dizilerindeki yapısal değişikliklerin çoğu zararlıdır, fakat bazen bir değişiklik özgün halinden daha ileri bir versiyon oluşturabilir. Bazen tek bir amino asidin değişmesi, tedavi etkinliği ve stabilitesi doğal insan proteinine benzer bir protein oluşturabilir.
Geleceğe bakış
Proteini biraz farklı bir amino asit dizisi içinde üretmek için genlerin değiştirilmesi verimi azaltmaz, çünkü yeni rekombinant protein, diğer tüm hücre türlerinden daha hızlı yenilenen bakterilerde hala büyüyebilir.
Yeni insülin formları, büyüme hormonu, doku plasminojen aktivatörü, faktör VIII ve interferon beta da dahil olmak üzere, geniş bir modifiye edilmiş (ikinci-jenerasyon) rekombinant protein yelpazesi tedavi amaçlı kullanım için hali hazırda mevcuttur.
Bu da gelecek için yeni bir umut oluşturmaktadır. Son olarak MS gibi hastalıkların ilerlemesini etkilemek mümkündür. Artık yeni biyoteknoloji teknikleri kullanılarak büyük miktarlarda aktif terapötik proteinler üretilebildiğine göre, beta interferon gibi etkili tedaviler ihtiyaç duyan herkese sağlanabilmektedir.
