Aslında bugün konuşmam yaşamın bilgisini kullanarak neler başarabileceğimiz ile ilgili. Ancak bunu konuşabilmek için öncesinde bir miktar yaşamın ne olduğunu tartışmamız gerekiyor. Bunun için önümüzdeki dakikalarda bütün hayal gücünüze ihtiyacımız olacak. Hazırsanız, başlayalım!
Sanırım hiçbirimiz elimizden kayan bir bardağın yere düşüp kırılmasını garipsemeyiz. İçten içe biliriz bu sonucu. Yerdeki cam parçalarının birleşip tekrar bardağa dönüştüğünü veya yerden yükseldiğini göreniniz var mı? Muhtemelen yoktur. İyi ama neden? Bunun sebebi evrenin temelinde bazı prensipler olması. Molekülleri, hatta canlıların uzay zamanda yapacağı davranışları, hareketleri, yani bir nevi kaderlerini belirleyen bu prensiplerdir aslında. Yer çekimi, elektromanyetizma, bu kavramlara aşinasınızdır. Bunlar evreni bir arada tutan en temel kuvvetler.
Bir de bu kuvvetleri bile açıklamakta kullanılabilen, pek de o kadar iyi tanımadığımız bir kuzenleri daha var. Adı entropi. Entropi basitçe bir sistemin içerisindeki düzensizliğin bir ölçütü. Ama düzensizlik deyip geçmemek lazım, çünkü düzensizliğin olduğu yerde olasılıklar, olasılıkların olduğu yerde ise bilgi var. Bunu bir örnek üzerinden açıklayalım. Mesela bir stadyum hayal edin. Sahadan tribünlere bakıyorsunuz, binlerce insan aynı anda bir marşı söylüyor. Herhangi bir anda bir insanın ağzından çıkan bir kelimeyi tahmin etmeniz oldukça kolay. Basit ve organize bir yapı. Dolayısıyla sistemin bilgisi, olasılıkları ve entropisi düşük. Bu yüzden de kırılgan.
Devre arası geldiğinde bütün o düzenin yerini kaos alıyor. Siz sahadan baktığınızda tribünlere karman çorman anlamsız bir kalabalık görüyorsunuz ama eğer tribünlerin arasında yürüyecek olursanız, insanların birbirleriyle etkileşime geçtiklerini, binlerce farklı konudan konuştuklarını, belki milyonlarca farklı hareket yaptığını göreceksiniz. Termodinamiğin ikinci kanunu, yani entropi kanunu, bize bunun neden böyle olduğunu açıklar. Hala tam olarak bilmediğimiz bir sebepten ötürü evren bütün düzeni bozarak kaosa sürüklemeye meyillidir her şeyi. Eğer bir çocuğunuz varsa bu prensibi benden çok daha iyi anladığınıza eminim. Siz zorlamadığınız sürece asla düzenlenmeyen ve sonsuza kadar daha da dağınık olmayı başarabilen odalar muhtemelen size yabancı gelmiyordur. Ofisteki masam buna oldukça iyi bir örnek. Biz insanlar evrenin temelindeki prensipleri kullanmayı öğrenerek bugün motorları, bilgisayarları, yapay zekayı, hatta robotları geliştirdik. Şimdi ise bunların birleşip akıllanacağını ve bizi, insanoğlunu ele geçirecekleri günlerden bahsediyoruz. Bu senaryo bana bir yerden tanıdık geliyor. Çünkü bildiğimiz kadarıyla bundan en az 3.8 milyar yıl önce çok zeki bir robot ırkı gezegenimizi çoktan ele geçirdi. Böyle söyleyince kulağa garip geldiğini biliyorum. Ama aslında bize o kadar da yabancı değil bu hücreler… Bu robotlar. Günümüzde onlara hücre diyoruz.
Evren, yeterince enerji ve zaman, uygun koşulların da varlığında, yaşam adını verdiğimiz kendi kendini inşa edebilen, çevresini manipüle edebilen, hesap yapıp karar verebilen kimyasal çorbanın bilgisini mikroskobik yağ damlacıklarının içerisine hapsetmeyi başardı ve hücreleri meydana getirdi.
Gelin isterseniz biraz daha yakından tanıyalım bu yaratıkları. Mesela bir bakteriyi ele alalım. Bu yaratıklar o kadar küçük ki bir tanesi bir insan boyutunda olsaydı insanlar Pasifik okyanusu kadar büyük olurdu. İçlerine girdiğimizde üç temel molekülden oluşan bir sistemle karşılaşıyoruz. DNA, RNA ve protein. Yaşamın sürdürülebilmesi ve tekrar oluşturulabilmesi için gerekli bütün talimatlar DNA’nın şifresi üzerinde kodlu. RNA’larsa DNA’lardan aldığı bu talimatları hücre içerisinde taşıyan ve sistemi düzenleyen moleküller. Proteinler sistemin işlevsel makinaları.
Enerji harcayarak kendilerine atanan görevleri yerine getiriyorlar. Ve bir hücrenin içerisinde bu moleküllerden milyonlarca var, sürekli etkileşiyorlar. Bunu karışık bir yemek tabağına benzetebilirsiniz. Ve bütün mevzu aslında birtakım patateslerin bir araya gelip biberlerden aldığı kırmızı renkleri kıymaların üzerine vermesiyle alakalı. İyi de bu patatesler ne yapacağını nereden biliyor? İşte tam burada entropi tekrar devreye giriyor. Aynı evrenin kendisi gibi bütün moleküler sistemler de sürekli olarak entropilerini arttırmaya çalışır. Bu onlara bir çeşit davranış kazandırır. Ve bu davranışlardan milyonlarcası bir hücre içerisinde bir araya geldiğinde garip bir şekilde bu yaratıklara birbirlerini kovalayabilecek zekayı kazandırırlar. İyi haber bu yaratıklardan korkmamıza gerek yok. Çünkü sütü ilk mayaladığımız, ilk toprağa tohumu ektiğimiz günden bu günlere bu yaratıklarla ilgili ciddi miktarda bilgi elde ettik. Öyle ki artık genetik sistemlerine girip onları istediğimiz özellikleri kazanmaya veya istediğimiz işleri yapmaya programlayabiliyoruz. Mesela kullandığınız insülin, bazı kanser ilaçları, farnesene adında bir biyoyakıt, hatta marketten satın aldığınız vanilin bugün programlanmış hücrelerle üretiliyor.
Bu enteresan alanda üniversiteye başladığım ilk yıllarda bir şeyler öğrenebilmek için kongre kongre geziniyordum. Çok iyi hatırlıyorum bir keresinde Hacettepe Üniversitesi’nde bir nanotıp kongresi vardı. Tesadüfen de organizasyon komitesindeki akademisyenlerden bir tanesi benim annemin bir arkadaşıydı. Ben de İstanbul’dan büyük bir heyecanla kalktım, Ankara’ya gittim, konuşmaları dinledim, her dinlediğim konuşmada biraz daha heyecanlandım. Sonra iki konuşma arasında çıkıp annemin arkadaşını Mehmet Abi’yi yakaladım ve daha tanışmaya bile adam gibi fırsat vermeden aldığım o gazla başladım fikir kusmaya. Sağ olsun Mehmet Abi de sabırla beni dinledi. Söyleyecek başka sözüm kalmadığında da dönüp bana dedi ki: “Oğlum ben de senin gibi aynı, üniversiteye ilk başladığım yıllarda çok büyük hayallerle geldim buraya. “Mesela benim hayalim kanatlı insanlar yapmaktı. “Gel gör ki işin içine girdikten sonra biyolojik bilimlerde kullandığımız metotların hala çok ilkel olduğunu fark ettim.
“Kanatlı insanlar yapmak nerede, küçük küreciklerin içerisine ilaç molekülleri sıkıştırmaya çalışmak nerede…” İki dakika içinde Mehmet Abi bütün dünyamı başıma yıkmıştı. İşin kötü tarafı adam oldukça haklıydı. Güneş Sistemi’nin en ücra köşelerindeki kuyruklu yıldızların üzerine uydu indirmeyi başarabilen insanoğlu, biyolojik bilimler söz konusu olduğunda oldukça ilkel yöntemlere muhtaçtı. Daha sonra bunun neyden kaynaklandığını anlamam çok zor olmadı. Bütün genetik yapılar talimat ve genetik dil sistemi ile çalışıyor.
Genetik dil sürekli talimatları okurken talimatlar da genetik dili oluşturan mekanizmayı inşa ediyor. Bunun en güzel örneği de sizsiniz aslında. Annenizden bir miktar talimat, babanızdan bir miktar talimat bu hayata başladığınız ilk gün tek bir hücrenin içerisinde bir araya geliyor. Ve o hücrenin içerisindeki genetik dil bu talimatlarda ne yazıyorsa sırayla onları okuyarak o tek hücreden bugün bütün özelliklerinizle sizi meydana getiriyor. Mesela anne karnındayken önce başınız büyüyor, vücudunuz genişliyor, omuzlarınızdan çıkıntılar ayrılıyor. Bu çıkıntıların sonuna doğru belirli aralıklarla hücreler ölmeye kalanlarsa kemikleşmeye başlıyor.
Ne oluyor? Bugünkü elleriniz meydana geliyor. Problem daha buralardan başlıyor. Bir kere her organizmanın kendi genetik talimatları ve onları okuyan kendi genetik dili var. Yani evrensel bir şey yok ortada. Uzun yıllar boyunca insanlar nasıl antik dilleri çözmek için yazıtları okuduysa genetik mühendisleri de doğadan topladıkları hücrelerin talimatlarını okuyarak onların genetik dillerini çözmeye çalıştı. Aslında bu konuda oldukça da başarılı olduk. Çözebildiğimiz kadarıyla genetik dillerin içerisinde işimize yarayacak parçaları bugün parça kütüphaneleri dediğimiz şeylerin altında topladık. Ve bir hücreye bir şey yaptırmak istediğimizde şimdi gidiyoruz, o parça kütüphanelerinden ihtiyacımız olan parçaları alıp bir DNA molekülü üzerinde birleştirerek hücrelere aktarıyoruz. Ne yazık ki 3.8 milyar yıllık arge, hücrelere oldukça karmaşık bir genetik dil kazandırmış. Bizimse bu karmaşayı hesaplayabilecek ne yeterince kuvvetli bilgisayarlarımız, ne de bu karmaşayla başa çıkabilecek araç gerecimiz mevcut. Bu yüzden hücrelerin içerisine kurduğumuz sistemler uzun süre dayanmıyor. Süreçlerimiz hesaplanabilir olmadığı için oldukça deneysel ve çalışan bir prototip elde etmek bazen binlerce defa tekrar denemeyi gerektiriyor. Üstelik kullandığımız ilkel yöntemler o kadar çok enerji kaybına sebep oluyor ki, hücrelerin…
İstediğimiz verimde üretim yapan hücreler elde etmek neredeyse mümkün değil. Uzun yıllar boyunca ortam ağırlığı ölçen ve bütün Geen Bio Teknoloji ekibi ile yapay örümcek ipeğinden ilaç moleküllerine birçok endüstriyel ürün üreten hücre hattı geliştiriyoruz. Ve her seferinde genetik dilin karmaşıklığı ve sürecin deneyselliğiyle tekrar tekrar yüzleşmek zorunda kalıyoruz. Ve artık eminiz ki genetik mühendisliğinin bir sonraki adıma geçebilmesi için bu problemin kesinlikle çözülmesi gerekiyor. Elbette bu problemin çözülmesi gerektiğini düşünen tek ekip biz değiliz.
Geçtiğimiz yıl Amerika’da Craig Venter Enstitüsü aldıkları bir hücrenin içerisindeki bütün gereksiz genleri atarak şu an yaşayan en basit hücresel organizmayı geliştirmeyi başardılar. Ama bunu yaparken bu hücrelere o kadar zarar verdiler ki hücreler endüstriyel yeteneklerini de kaybetti. Başka bir ekip benzer bir yöntemle başka organizmalarda çalıştı onlar da basitleştirmekte yeterince başarılı olamadı. Bizlerse farklı bir yöntem izledik, çünkü basit bir genetik dil oluşturmak konusunda bizden daha eski ve deneyimli birilerinin olduğunun farkındaydık
Virüsler
Virüslere, hücrelere istediklerini yaptırmak konusunda, istediklerini yaptırmak için basit ve kompak çözümler üretmek konusunda dahidirler desek yeridir. Bizler de bu yaşam formlarından ilham alarak bundan yaklaşık iki yıl önce GeenOS adını verdiğimiz, bir hücrenin içerisine aktarıldığı anda hücrenin içerisinde evrensel, basit ve hesaplanılabilir ikinci bir genetik dili ortaya çıkaracak bir DNA molekülü geliştirmeye başladık. Şimdi size muhtemelen bugüne kadar yapılmış en karmaşık genetik mühendisliği çalışmalarından bir tanesini olabildiğince basit bir şekilde anlatmaya çalışacağım.
Bir kere bir genetik dil elde etmek için önce DNA’dan RNA üreten mekanizmaya ihtiyacınız var. Bizler bunu bir virüs ailesinden alarak sistemin kalbi haline getirdik. Sonrasında hücreler büyüdükçe sizin DNA’nızın da artabilmesi için DNA’dan yeni DNA’lar üretecek bir sistemi başka bir virüs ailesinden alıp geliştirerek sisteme ekledik. Uzun çalışmalar sonucunda RNA’lardan protein üretecek bir mekanizmayı da bakterilerden toparladıktan sonra geriye bir tek sistemi düzenlemek kaldı. Bunu da programlanabilir proteinler kullanarak yaptık. Son olarak bu genetik dilin iskeletini oluşturmuş olduk ve son olarak genetik mühendislerinin bu genetik dille etkileşime geçebilmesi, komutları ve talimatları verebilmeleri için son bir modülü de sisteme ekledikten sonra GeenOS’in ilk prototipini tamamlamış olduk. Sistemin amacı aslında genetik mühendisliği süreçlerine basit bir genetik dil sağlayarak süreçlerin hesaplanabilirliğini arttırıp deneyselliğini azaltmaktı. Ama bu sistemi geliştirirken enteresan bir şeyle karşılaştık. Sistemin DNA’sı simülasyonlara koyduğumuzda giderek çoğalıyordu ve bir süre sonra hücrelerin büyümesini engelliyordu. Bunun için literatürde bir araştırma yaptık ve bu sistemle karşılaştık. Burada gördüğünüz her bir nokta bir proteini temsil ediyor ve her bir proteinin artması diğer iki proteinin artışını baskılıyor.
Makale şunu öneriyordu: Eğer doğru parametreler sağlanırsa böyle bir sistem, üzerinde bulunduğu DNA’nın sayısını sayabilir, saydığı sayıyı hatırlayabilir, hatta bu artışa tepki verebilirdi. Tam olarak ihtiyacımız olan sistem. Ama çok ciddi bir problem vardı. Bu sistem tamamen bilgisayarda geliştirilmiş sanal bir sistemdi, yani gerçekte bir karşılığı yoktu. Parça kütüphanelerimizdeki parçalarla böyle bir sistemi inşa etmek olası değildi. Tam depresyona girecektik ki aklımıza çok önemli bir şey geldi. Şu ana kadar geliştirdiğimiz sistemin içerisindeki programlanabilir proteinler hesaplanabilir bir genetik dille bir araya geldiğinde daha önce hiç farkına varmadığımız bir şeyi mümkün kılıyordu. Bazı DNA parçalarını istediğimiz özelliklere gelecek şekilde bilgisayarda hesaplayabilir hale geliyorduk. Bu ne demek? Tamamen bilgisayarda hesaplanmış ve sanal bir genetik sistemi hücreler içerisinde çalışır hale getirilebilmesi demek.
GeenOS’in kendi gelişimini kolaylaştırışına tanık olmak bizi bu sistemin genetik mühendisliğinde yeni ufuklar açacağı konusunda ikinci kez ikna etti. Geleneksel genetik mühendisliği süreçlerinde biz genelde dört aşamadan oluşan bir döngü izliyoruz. Önce bilgisayarda bir sistem tasarlıyoruz. Daha sonra bunu DNA olarak inşa ediyoruz. Hücrelerin içlerine aktarıyoruz ve deney sonuçlarını elde edip o sonuçlardan bir şeyler öğrenerek genetik tasarım tahtasının başına geçiyoruz. Ama normalde yaptığımız hesaplamaların doğrulukları oldukça düşük olduğu için zamanımızın ve paramızın çok büyük kısmını inşa ve deney aşamalarından tekrar tekrar geçerek harcamak zorunda kalıyoruz. Hâlbuki GeenOS gibi bir platformla, tasarım aşamasında çok daha yüksek doğrulukla hesaplamalar yaparak inşa ve deney aşamasında harcadığımız zaman ve parayı on kata kadar azaltmamız mümkün. Tamam, güzel. Programlanabilir hücreler geliştirmek için elimizde bir platform var. “İyi de programlanabilir hücreler benim hayatımda ne işe yarayacak?” derseniz size birkaç örnek vermek isterim. Mesela şu an derinizde bir enfeksiyon olduğunda, diyelim ki mantar enfeksiyonu, kapıyorsunuz, doktora gidip bir ilaç yazdırıyorsunuz ve o mikropları öldürmek için sürekli o ilacı uyguluyorsunuz. Halbuki programlanabilir hücreler sizinle bağırsaklarınızda veya derinizde ömür boyu yaşayarak sizin bu hastalıklara, hatta bazen viral hastalıklara, hiç yakalanmamanızı sağlamak için sizi ömür boyu koruyabilirler. Yaşamınızı uzatabilirler.
Mesela bir şeker hastası reaktörlerde yine programlanmış hücreler tarafından üretilen insülini dışarıdan ilaç olarak düzenli olarak almak zorunda. Halbuki bu reaktörlerdeki bakterileri biraz daha iyi programlayabilirsek bu hastaların ömür boyunca ihtiyaçları olan insülini ihtiyaçları kadar doğru zamanda sağlamamız mümkün olabilir. Başka bir örnek: kıkırdak aşınması. Bu rahatsızlıkta şu an elimizdeki en iyi yöntem kök hücreleri laboratuvarda büyütüp bir miktar rical niteliğindeki kimyasalla karıştırarak eklemlere enjekte etmek ve hücrelerin kendi kendine ne yapacağını bulmasını ummak. Halbuki bu hücrelere eğer söz geçirebilsek, onlara yapmaları gereken şeyi doğrudan gösterebiliriz. İlla medikal alanda olmak zorunda da değil. Endüstrimiz de oldukça dengesiz bir konumda. Sürekli olarak doğal kaynakları harap edip endüstriyel atıklar ortaya çıkarıyoruz. Halbuki bu zincirin kayıp halkası sentetik biyoloji. Programlanabilir hücreler endüstriyel atıkları tekrar doğal kaynaklara dönüştürmekte veya tekrar kullandığımız ürünlere dönüştürmekte oldukça verimli bir platform.
Gördüğünüz gibi yapabileceğimiz birçok şey var. Ve biz insanlar için yaşam artık bir tabu değil. Bir mühendislik alanı. Kim bilir Antik Yunanlardan beri süregelen Hazerfen’in de, Hacettepe’deki Mehmet Abi’nin de hayalini paylaştığı kanatlı insanlar belki bize sandığımız kadar uzak değildir.
Teşekkürler!
Kaynak: https://www.youtube.com/watch?v=S_nDgAZUl1Y
