2018 Nobel Kimya Ödülleri: Kimyada bir (d)evrim

Yaşamın çeşitliliği evrimin gücünü ortaya koyuyor. 2018 Nobel Kimya Ödülü, Frances H. Arnold, George P. Smith ve Sir Gregory P. Winter‘a, evrimi kontrol altına alma yöntemleri ve bunu insanlık...

Yaşamın çeşitliliği evrimin gücünü ortaya koyuyor. 2018 Nobel Kimya Ödülü, Frances H. Arnold, George P. Smith ve Sir Gregory P. Winter‘a, evrimi kontrol altına alma yöntemleri ve bunu insanlık için en yararlı olabilecek şekilde kullandıkları için verildi. Yönlendirilmiş evrim ile geliştirilen enzimler, biyoyakıtlar ve ilaçların da dahil olduğu pek çok şeyin üretiminde kullanılıyor. Faj gösterim (phage display) yöntemi ile evrimleşen antikorlar (antibody) otoimmün hastalıklara ve hatta bazı durumlarda metastatik kansere karşı savaşabiliyor.

Yaşadığımız gezegende çok büyük bir güç hâkim: evrim. Yaklaşık 3,7 milyar yıl önce hayatın ilk tohumları atıldığından beri, dünya yaşadığı ortama adapte olan canlılarla dolu: çıplak dağ eteklerinde yaşayabilen likenler, çok sıcak sularda rahatlıkla yaşayabilen arkeler, kuru çöller için donatılmış pullu sürüngenler ve karanlık okyanus tabanında parlayan denizanaları.
Hepimiz okuldaki biyoloji derslerinde bu orginazmaları öğrendik, ama bakış açımızı değiştirip bir kimyacının gözünden bakalım. Dünyada yaşamın var olması, evrimin pek çok kimyasal problemin üstesinden gelmesiyle mümkün. Bütün organizmalar kendi nişlerinden materyal ve enerji çıkartabilir ve bunları bünyelerinde barındırabilecekleri kimyasalları üretmek için kullanabilir. Sayısız örnekten sadece birazını vermek gerekirse, balıklar kanlarındaki bir antifriz (donma karşıtı) protein sayesinde kutup sularında yüzebilir, midyeler geliştirdikleri moleküler bir sualtı yapışkanı sayesinde kayalara tutunabilir.

Yaşamın kimyasının muhteşemliği, onun genlerimizde programlanmış olmasında ve bu sayede kalıtsal olarak aktarılabilmesinde ve geliştirilebilmesinde yatmaktadır. Genlerdeki küçük rastlantısal değişimler bu kimyayı değiştiriyor. Bazen daha güçsüz bazense daha güçlü organizmaların oluşmasına olanak sağlayabiliyor. Bu yeni kimya aşama aşama gelişti/gelişiyor ve dünya üzerindeki yaşam gittikçe daha karmaşık hale geliyor.

Bu süreç artık o kadar ilerledi ki, evrime hükmetmeyi başaran üç önemli insanın oluşumunu sağladı. 2018 Nobel Kimya Ödülü Frances H. Arnold, George P. Smith ve Sör Gregory P. Winter’a verildi. Çünkü onlar yönlendirilmiş evrim sayesinde, hem kimyada hem de yeni ilaçların üretiminde bir çığır açtılar. Enzim mühendisliğinin yıldızından başlayalım: Frances Arnold.

2018-Nobel-Ödülleri

Enzimler: yaşamın en etkili kimyasal araçları

Henüz 1979’da yeni mezun bir makine ve ha- vacılık-uzay mühendisiyken bile Frances Arnold çok net bir hayale sahipti: Yeni bir teknolojinin geliştirilmesiyle insanlığa fayda sağlamak. Amerika 2000 yılına kadar enerjisinin yüzde 20’sini yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamaya karar vermişti ve Arnold güneş enerjisi üzerine çalışıyordu. Fakat 1981’deki başkanlık seçimlerinden sonra bu endüstrininin geleceğine dağir beklentiler radikal bir biçimde değişti ve Arnold, bunun yerine bakışlarını yeni bir DNA teknolojisine çevirdi. Kendi sözleriyle: “Şu kesindi ki, günlük hayatımızda ihtiyacımız olan malzemeler ve kimyasalların yapımında yepyeni bir yöntemin geliştirilmesi, yaşamın şifresinin yeniden yazılmasıyla mümkün olabilecekti.”

Onun düşüncesi tıbbi ilaçların, plastiklerin ve diğer kimyasalların üretiminde, çoğu zaman güçlü çözücüler, ağır metaller ve korrosif (aşındırıcı) asitler gerektiren geleneksel kimyasal yöntemler kullanmak yerine, yaşamın kimyasal araçlarını kullanmaktı: enzimler. Enzimler yeryüzündeki canlıların içinde gerçekleşen kimyasal reaks- yonları katalize ediyorlardı ve eğer yeni enzimler tasarlamayı öğrene- bilseydi, kimyayı temelinden değiştirebilirdi.

Frances Arnold evrimle oynamaya başlıyor

1980’lerin sonundaki pek çok araştırmacı gibi Frances Arnold da ilk olarak, enzimleri yeniden yapılandırmak ve onlara yeni özellikler kazandırmak için mantık temelli yöntemler kullanmaya çalıştı. Fakat enzimler çok kompleks moleküllerdir. 20 farklı yapıtaşının (aminoasitin) sınırsız kombinasyonundan oluşurlar. Tek bir enzimde binlerce aminoasit bir araya gelebilir ve bunlar özel üç boyutlu yapılar oluşturabilen zincirlerle birbirlerine bağlanır. Belli bir kimyasal reaksiyonun katalize olabilmesini sağlayan koşullar bu yapı içerisinde oluşturulur.

Frances-H.-Arnold,-George-P.-Smith-ve-Sir-Gregory-P.-Winter
Frances H. Arnold
1956’da Pittsburgh, Amerika’da doğdu. 1985’te Berkeley Kaliforniya Üniversitesi’nden doktorasını aldı. Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde, Kimya Mühendisliği, Biyomühendislik ve Biyokimya profesörü (Linus Pauling Professor).
George P. Smith
1941’de Norwalk Amerika’da doğdu. 1970’te Cambrigde Harvard Üniversitesi’nden doktorasını aldı. Missouri Üniversitesi, Columbia’da fahri biyolojik bilimler profesörü (Curators’ Distinguished Professor Emeritus of Biological Sciences).
Sir Gregory P. Winter
1951 yılında Leicester İngiltere’de doğdu.
1976’da İngiltere Cambridge Üniversitesi’nden doktorasını aldı. Cambrigde MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’nda onursal lider.

Modern bilgi birikimi ve bilgisayar gücüne rağmen, bir enzime yeni özellikler kazandırmak için, bu çok karmaşık mimariyi nasıl yeniden modelllemek gerektiğini öngören mantığı kullanmak çok zordu. 1990’ların başlarında, doğanın üstünlüğü karşısında mütevazı bir tavır takınan Frances Arnold, “biraz kibirli bir yaklaşım” olarak ifade ettiği bu yöntemi terk etti ve bunun yerine doğanın kimyayı optimize etme yönteminden ilham aldı: Evrim.

Birkaç yıl boyunca subtilisin adı verilen bir enzimi, kimyasal reaksiyonları, su bazlı bir solüsyon yerine dimetilformamid (DMF) gibi bir organik çözücü içerisinde katalize edebilmesi için değiştirmeye çalıştı. Enzimin genetik kodunda rasgele değişimler (mutasyonlar) yarattı ve bu mutasyona uğramış genleri binlerce farklı subtilisin varyantı üretmesi için bakterilerin içerisine yerleştirdi.

Bu aşamadan sonraki zorluk, hangi varyantın organik çözücü içerisinde en iyi şekilde çalıştığını bulmaktı. Bununla ilgili olarak evrimde en iyi adapte olanın hayatta kalması hakkında konuşuruz; yönlendirilmiş evrimde ise bu aşamaya seçilim adı verilir.

Frances Arnold, subtilisinin süt proteini olan kazeini parçaladığı bilgisini kullandı. Kazeinin yüzde 35 DMF solüsyonu içerisinde en verimli şekilde parçalanmasını sağlayan
subtilisin varyantını seçti. Daha sonra seçilen bu subtilisin varyantı üzerinde yeniden bir rasgele mutasyon aşaması uyguladı ve DMF’nin içerisinde ilk seçilen molekülden de başarılı olan bir varyant elde etti.

Üçüncü nesilde elde edilen varyantın DMF içerisinde orjinalinden 256 kat daha fazla başarılı olduğunu keşfetti. Bu yeni varyant, etkilerini kimsenin önceden tahmin edemeyeceği on farklı mutasyonun kombinasyonunu içeriyordu.

Böylece Frances Arnold, yeni enzimlerin oluşumuna hükmetmek için tamamen insan mantığına dayanan yöntemler yerine, şansa izin verilmesinin ve yönlendirimiş evrimin kullanılmasının gücünü göstermiş oldu. Bu bugün tanıklık ettiğimiz devrimin ilk ve en belirleyici adımı oldu.

Bir sonraki önemli adımsa, 2013 yılında hayatını kaybeden Hollandalı biliminsanı ve girişimci Willem P. C. Stemmer tarafından atıldı. Stem- mer, enzimlerin yönlendirilmiş evrimine başka bir yeni boyut getirdi: test tüpünde eşleşme.

Eşleşme: Daha dayanıklı bir evrimleşme için

Doğal evrim için ön koşullardan biri, farklı bireylerin genlerinin eşleşmeyle ya da örneğin tozlaşma (pollenle döllenme) gibi yollarla karışmasıdır. Böylece faydalı özellikler bir araya gelebilir ve daha güçlü organizmaların oluşumunu sağlayabilir. Aynı zamanda daha yararsız mutasyonlar bir nesilden diğerine aktarılmayarak yok olabilir.

Willem Stemmer test tüpünü, eşleşmeye eşdeğer olarak kullandı: DNA’ların karılması. 1994’te bir genin farklı versiyonlarının küçük parçalara ayrılıp DNA teknolojisinin yöntemleri ile bir puzzle gibi orijinalinin mozaik bir versiyonu olan bir gene dönüştürülebildiğini gösterdi. Birçok DNA karılması döngüsünden sonra Willem Stemmer bir enzimi orijinalinden çok daha başarılı olacak şekilde değiştirmeyi başardı. Bu da gösterdi ki, genleri bir- birleriyle eşlemek (araştırmacılar bunu rekombinasyon olarak adlandırıyor) daha güçlü enzimlerin ev- rilmesiyle sonuçlanabiliyor.

Yeni enzimler yenilenebilir biyoyakıt üretti

DNA teknolojisinin araçları 1990’dan bu yana çok gelişti ve yönlendirilmiş evrim yöntemleri de çoğaldı. Frances Arnold bu gelişmelerin ön cephesinde yer alıyordu; artık onun laboratuvarında üretilen enzimler doğada bile bulunmayan kimyasal reaksyonları katalize ediyordu ve tamamen yeni moleküller üretiyordu. Onun özel yapım enzimleri tıbbi ilaçlar gibi pek çok maddenin üretiminde önemli araçlar haline geldi. Kimyasal reaksiyonlar hızlandı, daha az yan ürün oluşturulmaya başlandı ve hatta bazı durumlarda ağır metallere olan ihtiyaç ortadan kalktı ve bu da çevresel etkileri oldukça azalttı.

Ayrıca işler dönüp dolaşıp aynı noktaya gelmişti: Frances Arnold tekrar yenilenebilir enerji üretimi üzerine çalışıyordu. Çalışma grubu artık basit şekerleri enerji içeriği zengin, biyoyakıt ve daha doğa dostu plastiklerin üretiminde kullanılabilen isobütanole çeviriyordu. Arnold’ın proteinlerinden üretilen alternatif yakıtlar arabalarda ve uçaklarda kullanılabiliyor. Bu sayede, enzimleri daha yeşil bir dünyaya hizmet ediyor.

Enzimlerin-yönlendirilmiş-evriminin-altında-yatan-prensip

2018 Nobel Kimya Ödülü’nün diğer yarısı ise yönlendirilmiş evrimin, daha çok toksinleri nötrleye- bilen, otoimmün hastalıklara karşı savaşabilen ve hatta bazı durumlarda metastatik kanserleri tedavi eden ilaçların yapımında kullanılmasıyla ilgili. Faj gösterimi yöntemi olarak bilinen, bakterileri enfekte eden küçük bir virüsün kullanıldığı kısım burası.

Smith bakteriyofajları kullanıyor

Sık sık olduğu gibi bilim yine tahmin edilemeyen bir yol seçmişti. 1980’lerin başında, George Smith bakteriyofajları (bakterileri enfekte eden virüsler) kullanmaya başladığında, asıl umut bunların gen klonlamasında kullanılabilmesiydi. DNA teknolojileri hâlâ çok gençti ve insan genomu keşfedilmemiş bir kıta gibiydi. Biliminsanları genomun vücuttaki proteinlerin üretimi için gereken bütün genleri taşıdığını biliyordu, fakat belli bir protein için gerekli geni bulmak samanlıkta iğne aramaktan zordu.

Fakat eğer bulunursa bunun çok önemli getirileri olacaktı. Dönemin genetik yöntemleriyle bir gen bakterinin içine aktarılıyor ve biraz şansın yardımıyla çalışılacak ptorein büyük ölçekli üretiliyordu.

Bütün bu sürece gen klonlanması dendi ve George Smith’in fikri, araştırmacıların bakteriyofajları ustalıkla kullanabilecekleri genleri aramalarıydı.

Bakteriyofajlar: proteinler ve bilinmeyen genleri arasındaki bağ

Bakteriyofajlar doğaları gereği basittir. Koruyucu bir protein tabakasıyla kaplı, küçük bir genetik materyalden ibarettirler. Çoğalabilmek için bu genetik materyali bakteriye enjekte ederler ve metabolizmasını ele geçirirler. Bakteri de fajın genetik materyalini ve onu kaplayan kapsül proteinlerini çoğaltır ve yeni fajların oluşumunu sağlar.

George Smith’in fikri, araştırmacıların fajın bu basit yapısını, bilinen bir proteinin üretiminden sorumlu bilinmeyen bir genin bulunması için kullanabilmeleri üzerineydi. O zamanlarda çok fazla bilinmeyen genin bulunduğu DNA parçaları kütüphaneleri mevcuttu. Fikir, bilinmeyen bir gen parçasının kapsül proteinlerinden sorumlu bir genle birleştirilmesiydi. Böylece bilinmeyen genin ürettiği protein, kapsül proteinlerinin yeni bir parçası olarak fajın yüzeyinde yer alacaktı.

Antikorlar doğru proteinleri seçebilir

Böylece yüzeylerinde yığınla farklı protein bulunduran çok fazla sayıda virüsün karışımı ortaya çıkacaktı. George Smith’in öne sürdüğü gibi, bir sonraki adımda araştırmacılar antikorları kullanarak bu bilinen proteinleri taşıyan fajları karışımın içerisinden seçip çıkarabileceklerdi. Antikorlar hedeflenmiş füzeler gibi çalışan proteinlerdir, binlerce diğer protein arasından belli birini çok yüksek bir hassasiyetle tanıyabilirler ve ona bağlanırlar. Eğer araştırmacılar antikorları kullanarak bu faj çorbasının içerisinden bir şey yakalayabilirlerse, önceden bilinen ilgilendikleri proteini yakaladıkları gibi, onun bilinmeyen genini de yakalamış olacaklardı.

Bu çok zarif bir fikirdi ve 1985’te George Smith bunun çalışabildiğini gösterdi. Üzerinde proteinin bir parçasını (peptid) bulunduran bir faj üretti. Daha sonra da antikor yardımıyla ürettiği fajı diğer pek çok fajın bulunduğu çorbanın içerisinden çıkarttı.

Bu deneyle George Smith, faj gösterimi olarak adlandırılmaya başlanan yöntemin temellerini atmış oldu. Yöntemin basitliği onu çok zekice yapıyordu. Gücü ise, fajın proteinle ilgili gen arasındaki bağlantıyı oluşturuyor olmasıydı. Fakat asıl çığır açıcı olan gen klonlamada kullanılabilmesiyle ilgili değildi; bunun yerine 1990 civarında pek çok grup, faj gösterimi yöntemini yeni biyomoleküllerin geliştirilmesi için kullanmaya başladı. Bu tekniği kullanan insanlardan biri de Gregory (Greg) Winter’dı. Onun araştırmaları sayesinde artık faj gösterimi tekniği insanlığa çok büyük katkılar sağlıyor. Bunun nedenini anlayabilmemiz için antikorlara daha yakından bakmamız gerekiyor.

Antikorlar hastalıkların gelişimini engelleyebiliyor

İnsan lenf sistemi yüz binlerce çeşit antikor üretebilen hücrelere sahip. Çok gelişmiş bir sistem kullanarak bütün hücreler, ürettikleri antikorları vücudun kendi proteinlerine bağlanıp bağlanama- dığı konusunda test ediyor. Fakat inanılmaz büyüklükteki çeşitlilik her zaman en azından bir tane, bizi enfekte etmiş olan bakteriye veya virüse bağlanabilecek olan bir antikorun var olacağını garantiye alıyor. Eğer bir antikor onlara bağlanırsa, diğer agresif bağışıklık sistemi hücrelerini işgalcilere saldırmaları için harekete geçirecek sinyaller salgılıyor.

Faj-gösterimi

Antikorlar çok seçici ve on binlerce diğer molekül arasından sadece birine bağlanma yeteneğine sahip olduklarından, biliminsanları uzun zamandır pek çok hastalığın ilerlemesinin durdurulmasını sağlayan ve ilaç gibi davranan antikorların tasarlanabilmesinin mümkün olmasını umuyordu. İlk başlarda bu terapatik antikorların üretimi için farelere kanser hücrelerindeki proteinler gibi pek çok hedef molekül enjekte ediliyordu. Fakat 1980’lerde artık açıktı ki, bu metodun kısıtlamaları vardı; enjek- te edilen bazı maddeler fareler için çok toksikti veya antikor üretimini tetikleyemiyorlardı. Ek olarak fark edildi ki, bu antikorlar hastaların vücudu tarafından yabancı olarak algılanıp saldırıya uğruyordu. Bu da fare antikorlarının parçalanmasına ve hastalar için yan etkiler oluşmasına sebep oluyordu.

Greg Winter’ın, George Smith’in fajların potansiyellerini araştırmaya başlamasına sebep olan temel zorluk buydu. Fare antikorlarını kullanmaktan kaçınarak ilaçları insan antikorlarına dayandırmak istiyordu, çünkü ancak onlar bağışıklık sistemi tarafında tolare edilebiliyorlardı.

Winter antikorları fajların yüzeyine yerleştiriyor

Antikorlar Y şeklindeki moleküller; yabancı moleküllere bağlanan kısmsa iki kolun en uç kısmları. Greg Winter bir antikorun bu uç kısımlarıyla ilgili genetik bilgiyi, fajın kapsül proteinlerinden birinin genetik bilgisiyle birleştirdi ve 1990’da antikorun, fajın kapsülünün yüzeyinde sergilenebildiğini gösterdi. Kullandığı antikor ph0x olarak bilinen küçük bir moleküle bağlanabiliyordu. Greg Winter ph0x’i bir balıkçı kancası gibi kullandığında, milyonlarca diğer fajın arasından kendi antikorunu yüzeyinde barındıranı seçebildi.

Bundan sonra Greg Winter faj gösterimi tekniğinin antikorların yönlendirilmiş evrimi için kullanılabileceğini gösterdi. Milyonlarca farklı antikor varyantını yüzeylerinde sergileyebilen faj kütüphaneleri oluşturdu. Bu kütüphanelerden, farklı hedef proteinlere bağlanabilecek antikorları seçti. Daha sonra bu ilk nesil antikorları rasgele farklılıklara uğrattı ve hedefe daha güçlü bağlanabilen yeni nesil antikorların bulunduğu yeni bir kütüphane yarattı. Örneğin 1994’te bu metodu kanser hücrelerini çok yüksek bir başarıyla hedef alabilen antikorlar
geliştirmek için kullandı.

Dünyanın insan antikorlarına dayanan ilk ilacı

Faj-gösterimi-kullanılarak-antikorların-yönlendirilmiş-evrimi-için-prensipGreg Winter ve çalışma arkadaşları antikorların faj gösterimi için çalışan bir şirket kurdular. 1990’larda tamamen insan antikoruna dayalı bir ilaç geliştirdiler; a- dalimumab. Bu antikor TNF-alfa adındaki, otoimmün hastalıklarda rol alan bir proteini etkisiz hale getiriyor. 2002 yılında bu ilaç, roma- toid artrit hastalığının tedavisi için onay aldı ve şu an ek olarak psoria- sis (sedef hastalığı) ve inflamatuvar bağırsak hastalığının tedavisinde de kullanılıyor.

Adalimumab’ın başarısı ilaç sektöründe büyük bir gelişmeyi tetik- ledi ve faj gösterimi tekniği kanser gibi pek çok hastalık için antikor üretiminde kullanılmaya başlandı. Kanser tedavisinde bir dönüm noktası olan bu ilaçlardan biri, vücudun öldürücü hücrelerini harekete geçirir ve kanser hücrelerine saldırmalarını sağlar. Onaylanmış başka bir antikor ilaç, anthraksa (şarbon hastalığı) yol açan bakteriyel toksinin nötralize olmasını sağlıyor. Bir başkası ise lupus olarak bilinen o- toimmün bir hastalığın ilerlemesini yavaşlatıyor; diğer pek çok antikor ise hâlâ klinik testlerde, Azheimer hastalığının tedavisini amaçlayanlar gibi.

Kimyada yeni bir çağın başlangıcı

2018 Nobel Kimya Ödülü kazananlarının geliştirdiği yöntemler bugün uluslararası boyutta, daha yeşil bir endüstri için, yeni materyallerin üretiminde, yenilenebilir biyoyakıtların üretiminde, hastalıkların tedavisinde kullanılmak ve hayat kurtarmak için hâlâ geliştiriliyor. Enzimlerin yönlendirilmiş evrimi ve antikorların faj gösterimi, Frances Arnold, George Smith ve Greg Winter’ın insanlığa büyük bir katkı sağlamalarını ve kimyada bir devrimin temellerini atmalarını sağladı.

Kaynak: Nobelprize

 

BU İÇERİĞE EMOJİYLE TEPKİ VER!
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
Kategoriler
Bilim
Henüz Yorum Yok

Cevap bırakın

*

*

Benzer Konular