MIT araştırmacıları; DNA bazlarını tam olarak düzenleyebilecek bir teknik kullanarak, insan hücreleri de dahil olmak üzere canlı hücrelerin DNA’sında karmaşık “hatıraları” saklamanın bir yolunu buldular.
DOMINO olarak bilinen yeni sistem; belirli kimyasallara maruz kalma gibi bir hücrenin yaşamındaki birçok olayın yoğunluğunu, süresini, sırasını ve zamanlamasını kaydetmek için kullanılabilir. Bu bellek depolama kapasitesi, bir olayın veya olay dizisinin bir floresan proteinin üretimi gibi başka bir olayı tetiklediği karmaşık devrelerin temeli olarak işlev görebilir.
MIT’de yer alan Schmidt Bilimi Doktora Sonrası Araştırmacısı Fahim Farzadfard: “Bu platform bize hücrelerdeki bellek ve mantık işlemlerini ölçeklenebilir bir şekilde kodlamanın bir yolunu sunuyor. Silikon tabanlı bilgisayarlara benzer şekilde, karmaşık mantık ve hesaplama formları oluşturmak için geniş miktarda belleğe erişmemiz gerekiyor.”
Bu tip karmaşık bellek devreleri için uygulamalar; hücreler farklılaştıkça nesilden nesile gerçekleşen değişiklikleri takip etmeyi veya hastalıklı hücreleri tespit edebilen ve tedavi edebilen sensörler yaratabilmeyi içerir.
DNA ile yazılmış…
Birkaç yıl önce Lu’nun laboratuvarı, DNA Rekombinaz adı verilen, enzimlere dayanan ve belirli bir olay meydana geldiğinde DNA’nın parçalarını “çevirebilen” bir bellek depolama sistemi geliştirdi. Bununla birlikte, bu yaklaşım ölçekte sınırlıdır: Sadece bir veya iki olayı kaydedebilir. Çünkü çevrilmesi gereken DNA dizileri çok büyüktür ve her biri farklı bir rekombinaz gerektirir.
Lu ve Farzadfard daha sonra genomda önceden belirlenmiş yerlere yeni DNA dizileri ekleyebilecekleri ve bu yaklaşımın sadece bakteri hücrelerinde işe yaradığı daha hedefli bir yaklaşım geliştirdi. 2016’da, CasIS adlı bir DNA-kesme enziminden oluşan ve bir genom düzenleme sistemi olan CRISPR ve enzimi genomun belirli bir bölgesine yönlendiren, kısa bir RNA teli içeren bir bellek depolama sistemi geliştirdiler.
Bu CRISPR-tabanlı süreç; araştırmacıların belirli DNA konumlarına mutasyonlar yerleştirmelerine izin verdi. Ancak Cas9; DNA’yı kestikten sonra mutasyonlar üretmek için hücrenin kendi DNA-tamir makinelerine güvendi. Bu, mutasyon sonuçlarının her zaman tahmin edilebilir olmadığı ve dolayısıyla depolanabilecek bilgi miktarını sınırladığı anlamına geliyordu.
Yeni DOMINO sistemi, daha iyi tanımlanmış mutasyonlar yapan CRISPR-Cas9 enziminin bir türevini kullanıyor. Çünkü DNA parçalarını kesmek ve hücrelerin hasarı onarmasını beklemek yerine, doğrudan bilgi bitlerini DNA bazlarında saklıyor ve değiştiriyor. Araştırmacılar, bu sistemin hem insan hem de bakteri hücrelerinde doğru çalışmasını sağlayabildiklerini gösterdi.
Lu: “Bu çalışma; önceki tüm sınırlamalarının üstesinden gelmeye çalışıyor. Bir sabit diskin nasıl çalışacağına benzer şekilde sağlam, son derece ölçeklenebilir ve tanımlanmış bellek sistemlerine sahip olan nihai vizyona bizi daha da yakınlaştırıyor.”
Bu daha yüksek hassasiyet seviyesini elde etmek için, araştırmacılar; Cas9’un yeni geliştirilen bir “baz editör” enzimine, çift sarmallı DNA’yı parçalamadan nükleotit sitozini timine dönüştürebildiklerini eklediler.
Bu editörün yapılacağı ana editörü yönlendiren Kılavuz RNA iplikleri; sadece hücrede belirli girdiler bulunduğunda üretilir. Hedef girdilerden biri mevcut olduğunda; kılavuz RNA baz düzenleyiciyi, uygulamaya bağlı olarak araştırmacıların hücrenin çekirdeğine eklediği bir DNA dizisine veya hücrenin kendi genomunda bulunan genlere yönlendirir. Elde edilen sitozinin timin mutasyonlarına ölçülmesi, araştırmacıların hücrenin neye maruz kaldığını belirlemesini sağlar.
Farzadfard: “Sistemi, girdilerin her bir kombinasyonu size benzersiz bir mutasyon imzası verecek şekilde tasarlayabilirsiniz ve bu imzadan, girdilerin hangi birleşiminin mevcut olduğunu söyleyebilirsiniz.”
Karmaşık Hesaplamalar
Araştırmacılar, DOMINO’yu; birden fazla girişin varlığını tespit edebilen AND ve OR kapıları da dahil olmak üzere mantık hesaplamaları yapan devreler oluşturmak için kullandılar. Ayrıca, düşen bir domino dizisine benzer şekilde, belirli bir düzende meydana gelen olay basamaklarını kaydedebilecek devreler yarattılar.
Boston Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Profesörü Wilson Won: “Bu, DNA kullanarak hücresel bilgilerin kaydedilmesini ve alınmasını sağlayan çok yenilikçi bir çalışma. Sıralı veya mantıksal hesaplama ve ilişkisel öğrenmeyi gerçekleştirme yeteneği özellikle etkileyicidir. Bu çalışma CRISPR / Cas ile sağlanabilecek yeni genetik devreleri vurgulamaktadır.”
Önceki hücresel bellek depolama sürümlerinin çoğu, DNA dizilimi ile okunan depolanmış bellekleri gerekli kılmıştır. Bununla birlikte, bu işlem hücreleri tahrip eder. Bu nedenle onlar üzerinde daha fazla deney yapılamaz. Bu çalışmada araştırmacılar; devrelerini tasarladılar. Böylece nihai çıktı; Yeşil Floresan Proteini (GFP) için geni aktive edebilcek. Floresan seviyesini ölçerek, araştırmacılar; hücreleri öldürmeden kaç tane mutasyon birikmiş olduğunu tahmin edebilirler.
Teknoloji, belirli sinyal molekülleri aktive edildiğinde GFP üreten fare bağışıklık hücreleri oluşturmak için potansiyel olarak kullanılabilir.
Araştırmacılar, olası bir başka uygulamanın da; kanserle bağlantılı gen aktivitesini tespit edebilen devrelerin tasarlanması olduğunu söylüyor. Bu tür devreler; sistemin hastalığı tespit etmesine ve tedavi etmesine izin veren, kanserle savaşan moleküller üreten genleri açmak üzere programlanabilir.
Lu: “Bunlar gerçek dünya kullanımından daha uzakta olabilecek, ancak bu tür teknolojiler tarafından kesinlikle etkinleştirilebilecek uygulamalardır.”
