Geçtiğimiz günlerde açıklanan 2018 yılı Nobel Kimya Ödülü üç bilim insanı arasında paylaştırıldı. Her üç akademisyen de doğadaki evrim yasasını ve evrimsel biyolojinin teorik temellerini kendi alanlarına uygulayıp, bilimde çığır açtıkları için bu ödüle layık görüldü. Nobel Komitesi'nde bulunan Claes Gustafsson’un ifadesiyle “Bu araştırmacıların yaptığı, evrimi kullanarak bir devrim yaratmak oldu.” O halde yazımıza dilerseniz, bu araştırmacıların kullandığı “Protein mühendisliği özelinde yönlendirilmiş evrim”i tanıyarak başlayalım. Protein mühendisliği, proteinlerin yapı ve fonksiyonlarının moleküler düzeyde incelenmesi ve bu bağlamda genetik yapılarının değiştirilmesiyle, istenilen yapı ve fonksiyona sahip yeni proteinlerin optimizasyonunun sağlanarak, yeniden dizayn edilmesini amaçlamaktadır. Protein mühendisliği birbirini tamamlayan üç stratejiyi izleyerek çalışmaktadır. Bunlar;

1.Rasyonel Dizayn

2.Rasyonel olmayan Dizayn (Yönlendirilmiş evrim)

3.Yarı Rasyonel Dizayn-Kütüphane Tabanlı Yöntemler/Random Mutagenesis

Rasyonel dizaynda teorik modellerde yer alan ilgili verilerden yararlanarak biyoinformatik aracılığı ile mutasyonlar ve protein dizileri önceden belirlenebilmektedir. Buna karşın yönlendirilmiş̧ evrimde gende meydana gelen rastgele mutasyonlar sonucu gen kütüphaneleri oluşturulup, istenen özelliklere sahip varyantların deneysel olarak seçilimi sağlanmaktadır. Bu bağlamda; Yönlendirilmiş evrim, Rasyonel dizayndan farklı olarak aminoasit dizisi, protein yapı ve fonksiyonu ile ilgili herhangi bir bilgiye ihtiyaç duymamaktadır. Bu teknik milyonlarca yılda gerçekleşebilecek evrim-zaman ölçeğini; yıllar, aylar ya da haftalara indirgeyerek rastgele mutasyonlar veya rekombinasyon gibi doğal süreçlerin in vitro olarak laboratuvar ortamında taklit edilmesine dayanmaktadır.

Yönlendirilmiş evrim 1980’lerden beri çeşitli enzimlerin farklı özelliklerini değiştirmek ya da geliştirmek için kullanılmaktadır. Asıl etkili bir teknik haline gelmesi ise Arnold ve Stemmer’in 1990’larda bu tekniği geliştirmesi ile olmuştur. Günümüzde uygulanan farklı yönlendirilmiş evrim yöntemlerine baktığımızda bunları iki temel grup altında inceleyebiliriz;

1-Rekombinant olmayan metotlar - Genlerin rastgele mutasyonu (SM, Error Prone PCR)

2-Rekombinant Metotlar - farklı kaynaklardan homolog enzimlerin gen parçalarının rekombinasyonu (DNA Shuffling, Family DNA Shuffling, StEP, RACHITT, ITCHY, ADO, SCHEMA)

Aynı atadan evrimleşmiş homolog enzimleri kodlayan genlerin rekombinasyonu önemli bir çeşitlilik ile birlikte, yüksek oranda yeni ve fonksiyonel enzimin elde edilmesini sağlamaktadır. Bu anlamda kullanılan yönlendirilmiş evrim uygulamalarında iki temel adım gerekir; bunlardan ilki, Random genetik kütüphanelerin kurulması, diğeri ise artmış katalitik aktivite, seçicilik ya da geliştirilmiş stabilite gibi hedeflenen özelliğe sahip enzim varyasyonlarının kütüphane içinden taranması ve seçilmesidir.

Yazının tamamı Bilim ve Ütopya'nın kasım sayısında!