2018 Nobel Kimya Ödülü (Frances H. Arnold)

Kimyada Bir (D)evrim

Evrimin gücü, yaşamın çeşitliliğine bakılarak anlaşılabilir. 2018 Nobel Kimya Ödülü, evrimin kontrol edip insanlık için kullandıkları çalışmalardan ötürü Frances H. Arnold, George P. Smith ve Sir Gregory P. Winter’a verildi. Yönlendirilmiş evrimle geliştirilen enzimler artık diğer şeylerin yanı sıra biyoyakıt ve ilaç üretmek için kullanılıyor. Antikorlar, faj gösterimi adı verilen bir yöntem kullanılarak evrimleşmiştir, otoimmün hastalıklarla mücadele edebilir ve bazı durumlarda metastatik kanseri tedavi edebilir.

Yaşamın ilk tohumları yaklaşık 3,7 milyar yıl önce ortaya çıktığı için, yeryüzündeki hemen hemen her çatlak, çevreleri ile uyumlu organizmalar tarafından doldurulmuştur. Çıplak dağlarda yaşayabilen likenler, kaplıcalarda yetişen archaea, kuru çöller için donanımlı pullu sürüngenler ve derin okyanusların karanlığında parlayan denizanası…

Yaşamın kimyasının güzelliği, genlerde programlanıp, gelişmeye açık olması ve kalıtsal olmasıdır. Genlerdeki küçük rastgele değişiklikler bu kimyayı değiştirir. Bu bazen daha zayıf bir organizmaya yol açar, bazen daha güçlü. Böylece yaşam da giderek karmaşıklaşır.

Bu süreç şu ana kadar o kadar gelmiştir ki, üç kişiyi bu karmaşık sürecin kendisine hakim olacak duruma getirmiştir. 2018 Nobel Kimya Ödülü, Frances H. Arnold, George P. Smith ve Sir Gregory P. Winter’a verildi, çünkü hem kimya hem de evrim yoluyla ilaç geliştirmede yeni bir çığır açtılar.

Enzim mühendisliği yıldızı ile başlayalım: Frances Arnold.

Enzimler: Yaşamın En Önemli Kimyasal Araçları

1979’da yeni mezun olmuş bir mekanik ve havacılık mühendisi olan Frances Arnold, o zaman bile yeni teknolojinin geliştirilmesi yoluyla insanlığa fayda sağlamak için bir vizyona sahipti. ABD, gücün yüzde 20’sinin 2000 yılına kadar yenilenebilir kaynaklardan geleceğine karar verdi ve güneş enerjisi ile çalışmaya başladı. Ancak, 1981 cumhurbaşkanlığı seçimlerinden sonra bu endüstrinin geleceği konusundaki beklentiler kökten değişti, bunun yerine bakışlarını yeni DNA teknolojisine çevirdi. Frances Arnold’un ifade ettiği gibi: “Günlük yaşamımızda ihtiyaç duyduğumuz malzemeleri ve kimyasalları üretmenin yepyeni bir yolunun, yaşam kurallarının yeniden yazılabilmesi ile mümkün olacağı açıktır.”

Onun fikri, genellikle güçlü çözücüler, ağır metaller ve aşındırıcı asitler kullanmayı gerektiren geleneksel kimya ile üretilen ilaçlar, plastikler ve diğer kimyasallar yerine, hayatın kendi kimyasal araçlarını kullanmaktı: Enzimler. Bunlar organizmalarda meydana gelen kimyasal reaksiyonları katalize ederler. Eğer yeni enzimler tasarlamayı öğrenirsek, kimya kökten değişebilirdi.

Hayal Gücünün Sınırları Vardır

1980’lerin sonunda diğer araştırmacılar gibi Frances Arnold da enzimlere yeni özellikler vermek için onları yeniden inşa etmeye çalıştı ve rasyonel bir yaklaşım kullanmayı denedi. Fakat enzimler son derece karmaşık moleküllerdi. Sonsuz bir şekilde birleştirilebilen 20 farklı amino asitten inşa edilirler. Tek bir enzim birkaç bin amino asitten oluşabilir. Bunlar da uzun zincirlerle birbirine bağlanır ve özel üç boyutlu yapılar oluşturacak şekilde katlanırlar. Belirli bir kimyasal reaksiyonu katalize etmek için gerekli olan çevre bu yapıların içinde oluşmuştur.

Yeni bir enzim elde etmek için bu ayrıntılı mimarinin nasıl modellenmesi gerektiğini anlamak, insan mantığını kullanmak bir yana, çağdaş bilgi ve bilgisayar gücüyle bile oldukça zordur. Frances Arnold bu denemeler için “Birazcık kibirli bir yaklaşım” diyerek doğanın üstünlüğünü bir nevi kabul etmiştir. Daha sonra bu düşüncesinden yola çıkarak doğanın kendi yöntemini kullanmayı seçmiştir. Bu yöntem Evrim.

Arnold Evrimle Oynamaya Başlar

Arnold birkaç yıl boyunca, subtilisin adı verilen ve su bazlı çözeltilerde çalışan bir enzimi organik bir çözücü olan dimethylformamide (DMF) içinde reaksiyonları katalizleyebilir hale getirerek değiştirmeye çalışmıştır. Enzimin genetik kodunda rastgele değişiklikler yapmıştır ve bu kodları bakteriler içerisine ekleyerek binlerce farklı subtilisin varyantı oluşturmuştur. 

Bundan sonra yapması gereken, tüm bu varyantlardan hangisinin organik çözücüde en iyi çalıştığını bulmaktı. Evrimde, en uygun olanın hayatta kalması söz konusudur. İşte yönlendirilmiş evrimde bu aşama da seçilim olarak adlandırılıyor.

Frances Arnold, subtilisinin, süt proteini kazeini parçaladığı gerçeğini kullanarak karşılaştırmalarını yaptı. Subtilisin varyantları % 35 DMF içeren bir solüsyona koyarak, burada kazeinin parçalanması bekledi ve içlerinden en etkili olan varyantı seçti. Ardından, seçilen subtilisin de aynı şekilde mutasyonlara uğratıldı ve aynı yöntemle aralarından en iyisi seçildi. Üçüncü nesil subtilisinler içerisinde, DMF’de orijinal subtilisin enzimden 256 kat daha iyi çalışan bir varyant bulundu. Enzimin bu varyantı on farklı mutasyondan oluşan bir kombinasyona sahipti.

Bu keşifle birlikte, Frances Arnold, yeni enzim geliştirmenin sadece insan rasyonalitesine değil, şansa ve yönlendirilmiş seçilime güvenmenin gücünü göstermş oldu.

Bir sonraki önemli adım, 2013 yılında ölen Hollandalı bir araştırmacı ve girişimci olan Willem P. C. Stemmer tarafından alındı. Bir test tüpünde çiftleşme yaparak, enzimlerin yönlendirilmiş evrimine farklı bir boyut getirdi.

Daha Karalı Bir Evrim İçin: Çiftleşme

Doğada farklı bireylerden gelen genlerin çiftleşme yolu ile karıştırılması evrim için bir önkoşuldur. Faydalı özellikler birleşebilir ve daha sağlam bir organizmaya yol açabilir. Aynı zamanda, daha az fonksiyonel gen mutasyonları bir nesilden diğerine kaybolabilir.

Willem Stemmer, test tüpünde eşleşmeye eşdeğer olarak “DNA karıştırma” tekniğini kullanmıştır. 1994 yılında bir geni küçük parçalara ayırmanın ve  DNA teknolojisi yardımıyla parçaların birleştirilerek orijinal versiyonun bir mozaiğini oluşturmanın mümkün olduğunu gösterdi.

DNA karıştırma işleminin birkaç döngüsünü kullanarak, Willem Stemmer bir enzimi değiştirdi ve böylece orijinal enzimden çok daha etkili bir enzim yapmış oldu. Bu keşif, enzimlerin daha verimli bir evrime yönlendirilebileceğini göstermiş oldu. Bu teknik araştırmacılar tarafından rekombinasyon olarak adlandırılıyor.

Yeni Enzimler ile Sürdürülebilir Biyoyakıt Üretimi

DNA teknolojisinde 1990’ların başından beri yönlendirilmiş evrimde kullanılan yöntemler çoğaltılmıştır. Frances Arnold bu gelişmelerin öncüsü olmuştur. Artık laboratuarında üretilen enzimler, doğada bile bulunmayan, tamamen yeni malzemeler üreten kimyasalları katalize edebiliyor.

Frances Arnold da tekrar yenilenebilir enerji üretimi ile ilgili çalışmalara başladı. Arnold’un araştırma grubu, basit şekeri hem biyoyakıtların hem de daha yeşil plastiklerin üretiminde kullanılabilecek enerji açısından zengin bir madde olan isobutanol’e dönüştüren enzimi geliştirdi. Uzun vadeli amaç ise daha çevre dostu yakıtlar üretebilmektir. Arnold’un enzimleri tarafından üretilen alternatif yakıtlar otomobillerde ve uçaklarda kullanılabilecek. Bu şekilde, enzimleri daha yeşil bir dünyaya katkıda bulunması planlanıyor.

Frances H. Arnold’un öncüsü olduğu bütün bu keşifler, onun 2018 Nobel Kimya Ödülü’nün yarısını kazanmasını sağlamıştır. Bu keşifler günümüzde hala farmakoloji araştırmalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Hiç şüphesiz önümüzdeki yıllarda da uzun bir süre bu keşiflerin sağladığı imkanlar, temel bilim araştırmalarında kullanılmaya devam edecektir.

Kaynaklar ve İleri Okuma:
Osman Karakuş

Osman Karakuş

Gazi Üniversitesi Tıp Fakültesi Tıbbi Farmakoloji AD -Benim hayat amacım bir gökkuşağı çizmek. Bunu yapabilmek için kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, lacivert ve mor kalemlere ihtiyaç var. Ama benim elimde sadece siyah kalem var. Bu yüzden ben de "Gökkuşağı nasıl çizilir"i yazmaya başladım.

Bunları da sevebilirsiniz

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir