2018 Nobel Kimya Ödülünü üç bilim insanı paylaşmıştır. Bu bilim insanları, sonsuza dek protein mühendisliğini değiştiren yöntemi geliştirdiler: “Yönlendirilmiş evrim”. Doğal evrimi taklit eden yönlendirilmiş evrim, gelişmiş veya yeni fonksiyonlarla proteinlerin sentezini yönlendirir.
İlk olarak, orijinal protein; mutant protein varyantlarının bir koleksiyonunu oluşturmak için mutasyona uğratılır. Gelişme gösteren veya istenen işlevi daha fazla yerine getiren protein varyantları (çeşitleri) seçilir. Bu seçilen proteinler, daha sonra başka protein varyantları koleksiyonu oluşturmak için bir kez daha mutasyona uğratılır. Bu döngü; mutasyona uğramış proteinin, orijinal proteine kıyasla optimize edilmiş performansla gelişmesine kadar tekrar edilir.
Şimdi, EPFL’deki Ardemis Boghossian’ın laboratuvarındaki bilim insanları; sentetik nanoparçacıkları oluşturmak için yönlendirilmiş evrimi kullandılar. Bu nanoparçacıklar optik biyosensörler olarak kullanılır; havadaki, sudaki veya kandaki biyolojik molekülleri tespit etmek için ışık kullanan küçük cihazlar… Optik biyosensörler; biyolojik araştırmalarda, ilaç geliştirmede ve diyabetiklerde insülin ve glikozun gerçek zamanlı izlenmesi gibi tıbbi teşhislerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Boghossian: “Yönlendirilmiş evrimin güzelliği, yapısının işleviyle nasıl ilişkili olduğunu bile bilmeden bir proteini üretebilmemizdir. Proteinlerin büyük bir çoğunluğu için bu bilgiye bile sahip değiliz.”
Ekip, DNA sarılı tek duvarlı karbon nanotüplerin (veya kısaltıldıkları gibi DNA-SWCNT’lerin) optoelektronik özelliklerini değiştirmek için yönlendirilmiş evrimi kullandı; bunlar nano boyutlu karbon atomları tüpleridir ve DNA tarafından kaplanmış grafen tabakalarına sarılırlar. Hedeflerini tespit ettiklerinde; DNA-SWCNT’ler, kan veya idrar gibi karmaşık biyolojik sıvılardan geçebilen bir optik sinyal yayar.
Yönlendirilmiş evrim yaklaşımının genel prensibi; nanopartikül DNA-SWCNT komplekslerine uygulanır. Başlangıç kompleksi, belirsiz optik sinyali olan bir DNA-SWCNT’dir. Bu, yönlendirilmiş evrim yoluyla geliştirilmiştir: (1) DNA dizisinin rastgele mutasyonu; (2) SWCNT’lerin DNA ile sarılması ve kompleksin optik sinyalinin taranması; (3) geliştirilmiş bir optik sinyal sergileyen DNA-SWCNT komplekslerinin seçimi. Birkaç evrim döngüsünden sonra, geliştirilmiş optik davranış gösteren DNA-SWCNT kompleksleri geliştirilebilir.
Yönlendirilmiş bir evrim yaklaşımı kullanarak, Boghossian’ın ekibi yeni DNA-SWCNT’leri %56’ya kadar arttırılmış optik sinyallerle üretebildiler ve ayrıca bunu sadece iki evrim döngüsü boyunca yaptılar.
Boghossian: “Bu alandaki araştırmacıların çoğu, aradıkları özelliklere sahip olanı bulma umuduyla, sadece farklı materyallerden oluşan büyük kütüphaneleri taramaktadır. Optik nanosensörlerde; seçicilik, parlaklık ve hassasiyet gibi özellikleri geliştirmeye çalışıyoruz. Yönlendirilmiş evrim uygulayarak, araştırmacılara bu nanosensörlerin mühendisliği için rehberli bir yaklaşım sunuyoruz.”
Çalışma, temel olarak bir biyo-mühendislik tekniğinin, belirli nanomalzemelerin optoelektronik özelliklerini daha rasyonel bir şekilde ayarlamak için kullanılabileceğini göstermektedir.
Boghossian: “Malzeme bilimi ve fizik gibi alanlar çoğunlukla malzemenin ‘yapı-işlev’ ilişkilerini tanımlamakla meşgul, bu bilgiyi içermeyen malzemeler mühendisliği zorlaştırmaktadır. Ancak bu, doğanın milyarlarca yıl önce çözdüğü bir problemdir ve son yıllarda biyologlar bunu da ele aldılar. Bence çalışmamız, malzeme bilimcileri ve fizikçiler olarak, hala biyologlardan birkaç pragmatik ders öğrenebileceğimizi gösteriyor.”
