CRISPR: Nobel Ödüllü Gen Düzenleme Yöntemi

CRISPR Nedir?

CRISPR, basitçe bilim insanlarının canlıların DNA’larında hedefli ve hassas değişiklikler yapmasına imkân sağlayan bir gen düzenleme yöntemi olarak tanımlanabilir.

Kaliforniya Üniversitesinden Dr. Jennifer Doudna ve Berlin Max Planck Enstitüsünden Dr. Emmanuel Charpentier’ın ortaklaşa gerçekleştirdikleri çalışmada, bakterilerin bağışıklık sisteminin bir gen düzenleme aracı olarak kullanılabileceği belirlendi. Sonuçları 2012'de Science dergisinde yayımlanan araştırma, 2020 Kimya Nobel Ödülü’ne layık görüldü. 

Gen düzenlemenin geçmişi 1953’te DNA’nın çift sarmal bir yapıda olduğunun keşfedilmesine dayanıyor. Bu tarihten itibaren bilim insanları genetik koddaki spesifik DNA dizilerinin silinmesi, eklenmesi veya değiştirilmesini sağlamak için farklı yöntemler üzerinde çalışmaya başladı. Ancak geliştirilen gen düzenleme yöntemlerinde verim düşük ve yöntemlerin kullanım alanları sınırlıydı. CRISPR ise hemen hemen her organizmada genetik kodun düzenlenmesine imkân veriyor. Ayrıca daha önce geliştirilen gen düzenleme yöntemlerinden daha basit, daha ucuz ve daha kesin.

CRISPR Nasıl Çalışıyor?

CRISPR yönteminde bakterilerin virüsleri tespit etmek için kullandığı bağışıklık mekanizmasından ilham alındı. Bazı bakterilerin DNA’sında tekrar eden diziler vardır. Bakteriler bir virüs tarafından enfekte edildiğinde, bakteri virüsün DNA’sının bir parçasını alarak kendi DNA’sına kopyalar. Bu sayede aynı virüsle tekrar karşılaştığında onu tanıyabilir ve virüsü etkisiz hâle getirebilir. 

CRISPR sistemi iki anahtar bölümden oluşuyor: Cas9 enzimi moleküler bir makas gibi DNA'yı belirli bir konumdan kesebiliyor. Kılavuz RNA (gRNA) olarak isimlendirilen bir RNA parçası ise Cas9 enzimini kesilecek DNA noktasına yönlendiriyor. Böylece Cas9 enziminin DNA dizisini tam olarak doğru yerden kesmesi sağlanıyor.

CRISPR Hangi Alanlarda Kullanılıyor?

CRISPR teknolojisi ilaç, tarım, sanayi, halk sağlığı gibi birçok alanda kullanılıyor. 

Tıp ve Sağlık

CRISPR yönteminin tıp ve sağlık alanında yeni ilaç geliştirme çalışmalarında, hastalıklı genlerin belirlemesinde ve tedavide kullanılabileceği düşünülüyor. Örneğin araştırmacılar orak hücre anemisi ve hemofili gibi hastalıklara neden olan genetik bozukluklarda hedefe yönelik, etkili tedavi yöntemleri geliştirmek amacıyla CRISPR’yi kullanıyor. 2019 yılında gerçekleştirilen bir çalışmada, genetik körlük görülen yetişkin sıçanların CRISPR gen terapisi kullanılarak tedavi edilebileceği gösterildi. Ayrıca gen düzenleme yöntemleri ile farklı canlılarda insan ile uyumlu organlar elde edilebileceği düşünülüyor.

Tarım

Küresel iklim değişiklikleri ve artan insan nüfusu nedeniyle yiyecek talebinin yükselmesi sorununa karşı CRISPR teknolojisinden yararlanılabileceği düşünülüyor. Örneğin bitki DNA’sında değişiklikler yapılarak ürün verimi artırılabilir; kuraklık ve hastalıklara dayanıklı, besin değeri daha yüksek tarım ürünleri üretilebilir. Bu yöntemde yeni genler eklenmediği için genetiği değiştirilmiş tarım ürünlerine kıyasla genetik materyalde daha basit düzenlemelerle değişiklik yapılabiliyor.

Endüstri

Endüstriyel mikroorganizmalar sayesinde biyokütle ve organik atık gibi düşük maliyetli ham maddelerden katma değeri yüksek kimyasal maddeler üretilebilir. Endüstriyel mikroorganizmaların performansını artırmak içinse gen düzenleme yöntemlerinden yararlanılıyor. Örneğin bilim insanları bir maya türünün genetik yapısında CRISPR yöntemi ile düzenlemeler yaparak, elde edilen maya varyantından lipit ve polimer gibi moleküller elde edilebileceğini düşünüyor. Bu moleküller biyoyakıtların ve yapıştırıcıların geliştirilmesinde faydalı olabilir. 

CRISPR Yöntemiyle DNA’ya Kaydedilen Film

Orijinal görüntü (solda), kakterilerden elde edilen görüntü (sağda)

Harvard Üniversitesinden Seth Shipman ve arkadaşları, fotoğrafçı Eadweard Muybridge’a ait koşan bir atın beş kareden oluşan görüntüsünü E.coli bakterilerinin DNA’sına CRISPR yöntemini kullanarak kaydetti ve filmi tekrar oynatmayı başardı.

Araştırmacılar ilk olarak her bir kareyi nükleotidleri kullanarak DNA dizilerine kodladı. Daha sonra CRISPR yöntemi kullanılarak bakterilerin DNA'sının içine kodlanan görüntüleri %90 doğrulukla tekrar oluşturdu.

DNA nükleotid olarak bilinen molekül birimlerinin birbirine bağlanmasıyla oluşan uzun bir moleküldür. Nükleotidlerin adenin, sitozin, timin ve guanin olmak üzere dört türü vardır. Genellikle bilgi bu nükleotid birimlerinin sıralanma şekline göre DNA’ya kodlanır. 

CRISPR Etik Sorunlara Yol Açabilir mi?

İnsanlarda genetik özellikleri değiştirmek için CRISPR tekniğinin kullanılması konusunda ciddi etik endişeler bulunuyor. CRISPR yöntemi genellikle somatik hücrelerde kullanıldığı için genetik materyalde yapılan değişiklikler sonraki nesillere aktarılmıyor. Ancak üreme hücrelerinde bu yöntemin kullanılması konusundaki tartışmalar devam ediyor. Çünkü genetik materyalde yapılan değişikliklerin sonraki nesillere aktarılmasının uzun dönemli sonuçlarını tahmin etmek çok zor. Ayrıca istenmeyen etkiler, örneğin DNA’nın yanlış bir bölgesinde yapılan düzenlemeler bu yöntemin güvenliği konusunda endişelere yol açıyor. Kolay uygulanması nedeniyle yöntemin tedaviden farklı amaçlarla da kullanılabileceği düşünülüyor. Bu nedenlerle ülkeler CRISPR’nin kullanımı ile ilgili yasal düzenlemeler oluşturuyor.

Sözlük:

Hemofili: Kanın pıhtılaşmasıyla ilgili kalıtsal bir hastalık.

Orak hücre anemisi: Kanda oksijenin taşınmasından sorumlu olan kırmızı kan hücrelerindeki hemoglobin molekülünün yapısının bozulması sonucu ortaya çıkan bir hastalık.

Somatik hücreler: Üreme ile ilgisi olmayan vücut hücreleri.

Kaynaklar:

• Jinek, M. ve ark., "A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity.”, Science, Cilt 337, Sayı 6096, s. 816-821, 2012.
• Berry, M. H. ve ark., “Restoration of high-sensitivity and adapting vision with a cone opsin.”, Nature Communications, Cilt 10, Makale no: 1221, 2019.
• Vigliotti, V. S., Martinez, I., “Public health applications of CRISPR: How children's health can benefit.”, Seminars in Perinatology, Cilt 42, Sayı 8, s. 531-536, 2018.
• Liu, Q., ve ark., “Application of CRISPR/Cas9 in Crop Quality Improvement.”, International Journal of Molecular Sciences, Cilt 22, Sayı 8, Makale no: 4206, 2021.
• Zhang, S.ve ark., “Recent Advances of CRISPR/Cas9-Based Genetic Engineering and Transcriptional Regulation in Industrial Biology.”, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Cilt 7, Makale no: 459, 2020.
• Schwartz, C. M. ve ark., "Synthetic RNA Polymerase III Promoters Facilitate High-Efficiency CRISPR–Cas9-Mediated Genome Editing inYarrowia lipolytica.”, ACS Synthetic Biology, Cilt 5, Sayı 4, s. 356–359, 2016.
• Shipman, S. ve ark., “CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria.”, Nature, Cilt 547, s. 345–349, 2017.
• https://www.nature.com/scitable/definition/genome-43/

Yazar Hakkında: