Hücrelerdeki Gen Devreleri Karmaşık Hesaplamalar Yapabilir

Hücrelerdeki Gen Devreleri Karmaşık Hesaplamalar Yapabilir

Yaşayan hücreler, çevresel sinyallerde karşılaştıkları karmaşık hesapları yapabilmektedir.

Bu hesaplamalar, doğada sürekli veya benzer şekilde olabilir; göz yapısı ışık seviyelerindeki kademeli değişikliklere uyum sağlayabilir. Tıpkı bir hücrenin kendi ölümünü başlatması gibi açık veya kapalı süreçleri içeren dijital işlemler olabilirler.

Bunun aksine sentetik biyolojik sistemler ne analog veya dijital işleme odaklanmaya ne de kullanabildikleri uygulamalar aralığını sınırlama eğilimine sahiptirler.

Fakat bugünlerde MIT’den bir araştırma ekibi, bunların gen devreleri oluşturmalarına izin veren karmaşık işlemlerin gerçekleştirilmesi kapasitesine sahip yaşayan hücrelerdeki hem analog hem de dijital işleme entegre olan bir teknik geliştirdiler.

Nature Communications’da yayımlanan bir makalede sunulan sentetik devreler, tıpkı bir hastalık ile ilgili belirli bir kimyasal gibi bir analog giriş seviyesini ölçme ve tıpkı hastalığı tedavi eden bir ilaç gibi doğru aralıkta açılan bir çıkışın seviyesini belirleme yeteneğine sahiptir.

Timothy Lu’ya göre böylece analog giriş sinyallerini alan ve dijital bir çıkışa dönüştüren karşılaştırıcı olarak bilinen elektronik aletler gibi hareket ederler. Timothy Lu, elektrik mühendisliği, bilgisayar bilimleri ve biyolojik mühendislik doçenti ve MIT’nin Research Laboratory of Electronics’teki Synthetic Biology Group’un lideri olup eski mikrobiyoloji doktora öğrencisi Jacob Rubens’ın araştırmasına liderlik etmektedir.

Lu “Sentetik biyoloji çalışmalarının çoğu, [sayısal sistemleri] programlamak çok daha kolay olduğundan dijital bir yaklaşıma odaklanmıştır” diye belirtmektedir.

Ancak dijital sistemlerin tıpkı 0 veya 1 gibi basit bir dijital çıkışa dayanmasından dolayı karmaşık hesaplama işlemleri gerçekleştirme için sentetik biyolojik sistemlerde elde etmesi zor olan parçaların çok sayıda kullanımını gerektirmektedir.

“Dijital, çok basit parçalardan bilgi alabileceğiniz temel bir bilgi işlem yoludur, çünkü her bir kısmı sadece çok basit bir şey yapar; fakat tümünü bir araya getirdiğinizde çok zeki bir şey elde edersiniz” diyen Lu, “Fakat bu, bu parçaların çoğunu bir araya getirmenizi gerektirmektedir ve en azından şu anda biyoloji alanındaki zorluk, bir silikon parçasına monte edebildiğiniz gibi milyarlarca transistörü birleştirememenizdir” açıklamasını yapmaktadır.

Araştırmacılarının geliştirdiği karışık sinyal cihazı birden fazla unsura dayanmaktadır. Bir eşik modülü belirli bir kimyasal analog düzeyini algılayan bir sensörü içermektedir.

Bu eşik modülü, eşik modülünü tersine çevirip böylece dijital çıkışı dönüştürerek bir DNA segmentini sırayla açabilen veya kapayabilen dönüş anahtarının bir rekombinaz geninin, ikinci bileşenin iletisini kontrol etmektedir.

Kimyasal konsantrasyon belli bir seviyeye ulaşırsa eşik modülü, bunu DNA segmentine çevirmesine sebep olan rekombinaz geni açığa vurur. Bu DNA segmentinin kendisi, daha sonra arzu edilen bir çıkış ekspresyonunu değiştiren bir gen veya gen düzenleyici elementi içermektedir.

“O sebeple bu, tıpkı böyle bir kimyasal bir konsantrasyon gibi bir analog girişini nasıl ele aldığımız ve onu 0 veya 1 sinyaline nasıl dönüştürdüğümüzdür” diyen Lu, “Ve bu bir kez yapılmaktadır, ve baş aşağı çevrilmiş olabilen bir DNA parçasına sahipsiniz, öyleyse dijital hesaplama yapmak için bu DNA parçalarından herhangi biriyle birlikte yerleştirebilirsiniz” demektedir.

Ekip zaten bir analog-dijital dönüştürücü devre inşa etmişti, ki üçlü mantık uygulayan bir cihaz olup bir girişin ne bir yüksek ne de bir düşük konsantrasyon aralığına karşılık olarak açılacaktır ve iki farklı çıkış üretme kapasitesine sahiptir.

Lu gelecekte, devrenin kandaki glikoz seviyesini tespit etmek için kullanılabileceğini ve konsantrasyona bağlı olarak bir ila üç yönteme yanıt verebileceğini söylemektedir.

Lu, “Şayet glikoz seviyesi çok yüksek olduğunda hücrelerinizin insülin üretmesini isteteyebilirsiniz, çok düşük olduğunda hücrelerinizin glukagon üretmesini isteyebilirsiniz ve orta düzeyde ise hiç bir şey yapmayabilirsiniz” diyor.

Lu, benzer analogdan dijitale dönüştürücü devrelerin basit bir sensör değişikliğiyle çeşitli kimyasal maddeleri tespit etmek için de kullanılabileceğini belirtmektedir.

Araştırmacılar, örneğin, enflamatuar bağırsak hastalığının neden olduğu gut hastalığında enflamasyon düzeylerini tespit etmek için analog-dijital dönüştürücüleri kullanma fikrini araştırıyor ve karşılık olarak bir ilacı farklı miktarlarda serbest bırakıyorlar.

Kanser tedavisinde kullanılan bağışıklık hücreleri de, tıpkı oksijen veya tümör lizis seviyeleri gibi farklı çevresel girişleri tespit etmek için tasarlanmış olabilirler ve yanıt olarak terapötik aktivitesi gösterirler.

Lu, diğer araştırma gruplarının da tıpkı su kirletici konsantrasyonların saptanmasını sağlayan mühendislik hücreleri gibi çevresel uygulamalar için cihazlar kullanmakla ilgili olduklarını söylemektedir.

Araştırma ekibi son zamanlarda, Synlogic olarak isimlendirilen spinout bir şirket (bir şirketin bir kısmını ayırması ile ortaya çıkan başka bir şirket ç.n.) kurdu, şirket bugünlerde gut hastalıklarını tedavi edebilir probiyotik bakteriler oluşturan devrelerin basit versiyonlarını kullanmak için girişimde bulunuyor.

Şirket, önümüzdeki 12 ay içinde bu bakteri temelli tedavilerin klinik çalışmalarına başlamayı umuyor.

Kaynak: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/06/160603110229.htm

Çeviri: Bünyamin TAN

67 Paylaşımlar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Solve : *
18 + 10 =


This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.