Aziz Sancar ve CRISPR’in bilinmeyen kesişimi

Bilim tarihinde bazı keşifler, tıpkı zincirleme reaksiyonlar gibi, birbirini tetikler. Her keşif, sadece sorulara verilen cevaplar değil, aynı zamanda yeni soruların da doğuşudur. Bu yazıda, DNA onarımı üzerine çalışmalarıyla Nobel Kimya Ödülü’nü kazanmış olan Aziz Sancar’ın, aslında hiç farkında olmadan genetik biliminin önemli devrimlerinden biri olan CRISPR teknolojisinin ilk izlerine nasıl zemin hazırladığını keşfedeceğiz.

CRISPR: Genetikte kes-yapıştır devrimi

CRISPR, bakterilerin virüslere karşı geliştirdiği doğal bir savunma sistemidir. Bakteri, daha önce karşılaştığı virüslerin genetik bilgisini DNA’sında özel bir bölgede saklar. Bu bölge, kısa, tekrar eden ve palindromik^[1]Tersi de aynı olan dizilere palindromik denir. Örn. 484, küçük gibi. DNA dizileriyle doludur. Aralara ise geçmiş virüslerden alınan genetik parçalar yerleştirilir — adeta bir genetik “hafıza arşivi” gibi çalışır. Bakteri yeniden saldırıya uğradığında bu hafıza sayesinde virüs DNA’sını tanır ve bir enzim aracılığıyla onu keserek etkisiz hale getirir.^[2]Sarkaç’ta CRISPR ile ilgili içeriklere bu yazı altında ulaşabilirsiniz: Korkmaz, G. (2022) CRISPR: Genom terziliği, https://sarkac.org/2022/09/crispr-genom-terziligi/

Bilim insanları bu sistemi laboratuvar ortamına uyarlayarak, canlıların DNA’sını istenilen noktadan kesip düzenlemeyi mümkün kılan hassas bir gen düzenleme teknolojisi geliştirdiler. Bugün CRISPR sayesinde “hatalı” genler düzeltilebiliyor, genetik hastalıkların tedavisi olarak mümkün hale geliyor,^[3]FDA approves first gene therapies to treat patients with sickle cell disease (Aralık 2023) https://www.fda.gov/news-events/press-announcements/fda-approves-first-gene-therapies-treat-patients-sickle-cell-disease tarım ürünleri zor koşulllara daha dayanıklı hale getirilebiliyor. CRISPR’ın önemi, 2020’de Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna’ya Nobel Kimya Ödülü kazandırarak bilim dünyasında da tescillenmiş oldu.^[4]Nobel Prize in Chemistry 2020, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/summary/

CRISPR, genetik mühendisliğinin günümüzdeki en keskin neşteri olarak düşünülebilir.

Maxicell: Bir laboratuvar tekniği

1970’lerin sonlarında Aziz Sancar, doktora sonrası çalışmalarına Yale Üniversitesi’nde başlarken klonlama tekniklerine dair bir strateji ile meşguldü. O dönem birlikte çalıştığı DNA onarımı laboratuvarının hocası, Dean Rupp, Sancar’a boş zamanlarında kendi projeleri üzerinde çalışması için izin vermişti. Sancar bu fırsatı değerlendirerek yeni bir klonlama stratejisi geliştirmeye koyuldu.

Geliştirdiği yöntemin adı “maxicell” idi.^[5]Sancar, A., Hack, A. M., & Rupp, W. D. (1979). Simple method for identification of plasmid-coded proteins. Journal of Bacteriology (Vol. 137, Issue 1, pp. 692–693) https://doi.org/10.1128/jb.137.1.692-693.1979

Bakteri, morötesi (UV) ışığa maruz bırakıldığında DNA hasarı oluşur. Normalde onarımdan sorumlu olan belirli genler sayesinde bu hasar giderilir. Sancar, maxicell ile DNA onarım genlerini de işlevsiz hale  getirerek, bakterinin kromozom DNA’sını UV ışığıyla parçalamayı hedeflemişti.  Bakterilerde kromozom DNA’sı yani bildiğimiz DNA’nın yanı sıra hücre içinde küçük, halkasal DNA molekülleri olan plazmidler bulunur. Sancar’ın deneylerinde UV maruziyeti sırasında bu plazmidlerden bazıları sağlam kalabiliyordu. Küçüklüğü sayesinde UV ışığından etkilenmemiş plazmidler hücre içerisindeki aktif proteinler sayesinde çoğaltılmaya devam edilebiliyordu. Bakteri, kendi kromozomunu kaybettiği için artık kendi proteinlerini üretemiyor, ancak plazmiddeki geni okuyarak sadece araştırmacının hedeflediği proteini sentezliyordu. Böylelikle o döneme göre oldukça yüksek saflıkta protein üretimi elde edilebildi.

Bu teknik kısa sürede yaygınlaştı ve başka araştırmacılar tarafından da kullanılmaya başlandı. İnternet’in olmadıgı o dönemde Sancar’ın hocası diğer bilim insanlarından onlarca mektup alıyor, bu mektupta DNA onarım genlerinin işlevsiz hale getirildiği hücre hatlarının paylaşılması rica ediliyordu. Bugün Sancar’ın en fazla alıntı yapılan araştırma makalesi maxicell yöntemini tanıttığı çalışmasıdır. Bu yöntem Sancar’ın Nobel ödülü almasına dolaylı katkı yapmış olsa da,^[6]Sancar, A., Wharton, R. P., Seltzer, S., Kacinski, B. M., Clarke, N. D., & Rupp, W. D. (1981). Identification of the uvrA gene product. Journal of Molecular Biology (Vol. 148, Issue 1, pp. 45–62) https://doi.org/10.1016/0022-2836(81)90234-5 Nobel Ödülü’ne değer bulunan DNA onarımı alanındaki çalışmaları bu makalesini kapsamamaktadır.^[7]Nobel Prize in Chemistry 2015, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2015/summary/

Maxicell, CRISPR’a kapı aralıyor

1987’de Japon araştırmacı Atsuo Nakata ve ekibi, bir bakteriyel proteini saflaştırmak için Aziz Sancar’ın maxicell yöntemini kullanarak bir deney gerçekleştirdiler.^[8]Ishino, Y., Shinagawa, H., Makino, K., Amemura, M., & Nakata, A. (1987) Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product. Journal of Bacteriology (Vol. 169, Issue 12, pp. 5429–5433) https://doi.org/10.1128/jb.169.12.5429-5433.1987 Bu proteini kodlayan geni klonladıklarında, gen dizisinin hemen yanında anlam veremedikleri bazı tekrarlayan DNA dizileri buldular. Bugün bu dizilere CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) diyoruz.

Ancak o zamanlar CRISPR’ın işlevi bilinmiyordu; sadece “ilginç bir tekrar dizisi” olarak not edildi. Yani CRISPR sisteminin ilk gözlemlenmesi bu deneyle oldu. Ve bu deneyin arkasındaki temel teknik ise Aziz Sancar’ın geliştirdiği maxicell yöntemiydi.

Nakata ve ekibinin bu makalesi 2010 öncesinde yılda ortalama iki kez alıntılanıyordu. 1987-2010 yılları arasında pek de ilgi çekmeyen bu çalışma, yayımlandıktan 23 yıl sonra hak ettiği değeri bulmaya başlıyor ve CRISPR ile ilgili ilk bulgu olarak tarihteki yerini alıyordu. Son zamanlarda bu makale her sene yüzün üzerinde çalışma tarafından alıntılanıyor.

Bilimde yöntemlerin etkisi

Bu hikâye bize bilimde önemli bir unsuru hatırlatıyor: Bilim sadece “ne bulduğumuz” değil, aynı zamanda “nasıl bulduğumuz”la da ilgilidir. Bilimcilerin bir soruya cevap ararken geliştirdikleri yöntemler, yıllar sonra bambaşka sorulara ışık tutabiliyor.

Aziz Sancar’ın amacı CRISPR gibi bir yöntemi geliştirmek değildi. Ancak geliştirdiği maxicell tekniği, CRISPR keşfine giden yolda ilk adımlardan birine vesile oldu. Bugün CRISPR teknolojisi genetik mühendisliğinde çığır açtı. Genom düzenleme, hastalık tedavileri, tarım ve daha birçok alanda devrimsel uygulamaları mümkün kıldı. Bu teknolojinin yolculuğu, Aziz Sancar’ın bilimsel merakı ve protein saflaştırmayı verimli hale getirme çabası ile başladı.

Aziz Sancar DNA onarımı ve sirkadiyen ritim üzerine yaptığı çığır açıcı çalışmalarla bilinir. DNA onarımı çalışmaları Nobel ile takdir edilmiş,^[9]Sancar, A. (2015). Mechanisms of DNA repair by photolyase and excision nuclease [Nobel lecture]. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/sancar-lecture.pdf sirkadiyen ritim çalışmaları ile ikinci Nobel’in kıyısından dönmüştür.^[10]Rosbash, M. (2017). Circadian rhythms and the transcriptional feedback loop [Nobel lecture]. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/uploads/2017/12/rosbash-lecture.pdf  Ancak bu hikâye, onun etkisinin daha geniş olduğunu gösteriyor. Bilimde sadece sonuçlar değil, yöntemler de geleceğin anahtarlarını taşır.

Bilim tarihinde bazı yöntemler, yalnızca bir problemi çözmekle kalmayıp onlarca yıl boyunca yeni keşiflerin önünü açmıştır — bu nedenle de Nobel Ödülü’ne layık görülmüşlerdir. 1915’te Nobel ile ödüllendirilen X-ışını kristalografisi, moleküllerin atomik yapısını belirleme imkânı sunarak 1953’te DNA’nın çift sarmal yapısının keşfi gibi çığır açıcı keşiflere zemin hazırlamıştır. 1993’te ödül alan PCR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu), bir DNA parçasını milyarlarca kez çoğaltarak genetik analizlerinin gerçekleştirilebilmesini ve Covid-19 dahil birçok genetik tanı testinin geliştirilmesini mümkün kılmıştır. 

Hücre içindeki proteinleri ve yapılarını ışıldayan işaretleyicilere dönüştüren Yeşil Floresan Protein (Green Fluorescent Protein – GFP) yöntemi, 2008’de Nobel ile onurlandırılmıştır ve canlı hücrelerin içini adeta görünür kılmıştır. Örneğin 2007’de Harvard Üniversitesi’nden Jeff Lichtman ve Joshua Sanes, GFP’nin farklı renk türevlerini kullanarak her nöronu farklı bir renkte boyamayı başardı (brainbrow). Son olarak, biyolojik molekülleri doğal halleriyle ve yüksek çözünürlükte görüntülemeyi sağlayan kriyojenik elektron mikroskobu (Cryo-EM) yöntemi, 2017’de Nobel kazanarak yapısal biyolojide yeni bir çağ başlatıp, protein yapılarının çok daha etkin bir şekilde ortaya çıkarılmasını sağlayarak moleküler düzeyde yaşamı anlamamıza büyük katkılar sunmuştur.

Sancar’ın 1979 tarihli maxicell makalesinin başlığında “basit bir yöntem” tanımlaması geçiyor. Kim bilir, belki bugün laboratuvarda geliştirdiğiniz küçük bir yöntem, yarının büyük keşfine kapı aralar.

Ogün Adebali
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, BAGEP 2019