Bilim dünyası, hücrelerin işlevini daha iyi kavrayabilmek ve hastalıklara daha hedef odaklı tedaviler uygulayabilmek için proteinlerin yapısı ve işleyişini çözümlemeye çalışıyor. Uzmanları hummalı bir çalışmaya sürükleyen bu araştırma koluna bir de ad verilmiş: "proteomics"...
Genetik araştırma şirketi Celera Genomics'in yöneticisi Craig Venter, 15 Mayıs 2000 tarihinde Beyaz Saray'da yaptığı basın açıklamasında, bu buluşu, 100.000 yıllık insanlık tarihinin ulaştığı en yüksek nokta olarak tanımladı: İnsan DNA'sının şifresi çözümlenmişti. Buna paralel Londra'da düzenlenen bir toplantıda Nature dergisinin yayın yönetmeni Philip Campbell, bu başarının yarattığı mutluluk tablosunu anlamsız bulduğunu açıkladı: "Çok şaşırdım! Genomun yüzde 97'sini haritalamışlar, yüzde 85'inin şifresini çözmüşler ve bunlardan sadece yüzde 24'ü okunmaya hazır. Basın toplantısı düzenlemeye ne gerek var ki?"
Birçok uzman, genomun çözümlenmesi konusunda gösterilen bu telaşa bir anlam veremiyor. Çünkü, DNA iplikçiğini oluşturan dört nükleik asidin dizilimi, onların işlevleri konusunda hiçbir bilgi sunmuyor. Yaklaşık 3 milyar harf listelenmiş, 24 başlık altına dağıtılmış.
Ancak araştırmalar ilerledikçe, vücudumuzun genetik temel metnin içine serpiştirilmiş olan genlerin sayısı hakkındaki kuşku da büyüyor. Okul kitaplarında genlerin sayısı 100.000 olarak verilirken, uluslararası araştırmacılar, şimdiye kadar sadece 40.000 gene ulaşabildi. Birçok genin ürünlerinin işlevinin ne olduğu bile henüz bilinmiyor. Bu bulgular, insanoğlunun şu ana kadar sahip olduğu bilgilerle birlikte değerlendirildiğinde hiçbir anlam ifade etmiyor. Araştırmacıların önce, çözümlenen metinde genlerin yerini bulmaları gerekiyor. Bu hiç de kolay değil; çünkü genler, elde edilen metnin sadece yüzde beşini oluşturuyor gibi görünüyor. Geriye kalan dev harf yığınının ne işe yaradığı ise henüz bilinmiyor.
Bu noktada, yeni bir ipucu bulabilmek amacıyla, yapı planları genlerde kodlanmış ve yaşamın sırrını teşkil eden proteinler yeniden mercek altına alındı. Bütün canlıların ana yapısını oluşturan proteinler, hücrenin çalışmasını sağlıyor, sinyal görevini üstleniyor, enerji üretiyor ve taşıyıcı olarak görev yapıyor. Kısacası, organizmanın bütün işlevlerinde rol alıyor. Genleri, canlının sadece yapı planı, proteinleri ise asıl ürün olarak tanımlayabiliriz. Başka bir anlatımla: genler bir yemeğin tarifine, proteinler ise daha sonra tabağa servis yapılan yemeğe benzetilebilir.
Bu açıdan bakıldığında, hücrenin nasıl çalıştığının öğrenilmesi gerekiyor. Ancak o zaman, hastalıkların nasıl oluştuğunu anlayabilir ve doğru müdahalede bulunabiliriz. Çünkü, birçok hastalık proteinlerin hatalı üretimi sonucunda ortaya çıkıyor. Proteom araştırmalarında başarıya ulaşıldığı takdirde, özellikle kanser ve kalp rahatsızlıklarında başarılı tedavi olanakları gelişecek ve tam hedefe yönelik ilaçlar üretilebilecek.
Birçok biyokimya uzmanı, yaşamın çeşitliliğinin genler temelinde değil, bir sonraki adım olan proteinler temelinde aranması gerektiğini biliyor. Proteinler, 20.yüzyılın başlarında çok popülerdi. Yaşamsal faaliyetlerin en önemli taşıyıcısı olduğu biliniyordu. Yunanca'da "birinci, ilk, baş" anlamına gelen "proteros" tan esinlenerek protein adı verilmişti. Ancak daha sonra, insanın genleri keşfedildi. Bütün araştırmacılar, genlerin yapısında bulunan nükleik asitlerin üstünde yoğunlaştı. Proteinler bir kenara itildi.
1960'lı yıllardan bu yana, vücut tarafından üretilen proteinlere giden yol tahmini olarak biliniyor. Vücudun bütün hücrelerinin (kandaki alyuvarlar dışında) çekirdekleri, bütün proteinlerin üretilmesi için gerekli yapı planını içeriyor. Bu orijinal planın metni, adenin (A), timin (T), guanin (G) ve sitozin (C) adlı dört harfin dizilimiyle oluşan çok uzun bir zincirden oluşuyor. Bu orijinal plan, güvenlik gerekçesiyle hep hücre çekirdeğinde kalıyor. Hücre, bir proteine ihtiyaç duyduğunda, hücre çekirdeğindeki ilgili genin bir kopyası hazırlanıyor. Bu işleme "transkripsiyon" adı veriliyor. İşlem sırasında DNA'nın "çift sarmal" yapısını oluşturan iki ipliği bir fermuar gibi açılıyor ve genin harfleri, RNA polimeraz enzimiyle (bu enzim de bir protein yapısında) kopya ediliyor, ama birebir değil: T'nin (nükleik asit timin) yerine U (urasil) ve şeker molekülü deoksiriboz yerine riboz kullanılıyor. Bu sayede vücut, orijinal ile kopyayı birbirinden ayırabiliyor. Böylece DNA (deoksiribonüklekasit), m-RNA'ya (messenger -haberci- ribonükleikasit) dönüşüyor. Uygulamada bir veri taşıyıcısı olan m-RNA; hücre çekirdeğindeki yapı talimatnamesinin kopyasını, hücre zarındaki ince deliklerden geçirerek sitoplazmadaki ribozomlara aktarıyor. Hayal edilemeyecek kadar küçük protein fabrikaları (ribozom), bu yapı planı doğrultusunda proteinleri üretiyorlar. Bu "translation" (aktarım) işlemi sırasında bir ribozom, m-RNA'nın ipliği boyunca giderek, üçlü kombinasyonunu okuyor, uygun aminoasitleri alıyor ve birbiri ardına bunları ekliyor. Ribozom, gen kopyalamasını bitirince hazır protein zincirini serbest bırakıyor ve bir sonraki m-RNA-protein-yapı talimatını aramaya başlıyor.
Kısa süre öncesine kadar, her bir genin, tek bir işleve sahip tek bir proteinin planını taşıdığı sanılıyordu. Artık, her şeyin tahmin edilenden daha karmaşık olduğu ortaya çıktı: Bir gende gizli bilgilerden, yirmi farklı protein üretilebiliyordu. Karmaşa bu kadarla da sınırlı değil: Bir çok protein, üretimi tamamlandıktan sonra değişiyordu (genlerin bunun üzerine hiçbir etkisi olmadan). Bu, genellikle fosfat türevleri, şeker grupları ya da doymamış karbon zincirleri gibi özel yan grupların omurgaya eklenmesiyle gerçekleşiyordu. Bütün bunlar (proteinin karmaşık, üç boyutlu zinciri de dahil) genlerdeki yapı planından kaynaklanmıyor. Başka bir deyişle, genetik mühendisleri genlerin yapı planını tamamen çözümleyebilseler de, eldeki yemek tarifiyle sadece mutfağın kapısına kadar gelebilecekler. Bu başarı onlara, yemeğin pişmesi için gerekli diğer katkı maddelerinin ne olduğu, sonunda ortaya çıkacak yemeğin niteliği ve lezzeti hakkında hiçbir ip ucu sunmayacak.
Bir hücrede belirli bir zamanda üretilen protein moleküllerinin toplamı, genlerin toplamını ifade eden 'genom' tanımından esinlenilerek, "proteom" olarak adlandırılmış. Genom, tek bir işleve sahip; bir parça manyetik bant gibi bilgi depoluyor. Ancak, proteom'un binlerce ödevi var. Bu ödevlerine uygun olarak da proteinler çok farklı yapılar gösteriyorlar: bazıları uzun, ince, bazıları yuvarlak yapıya sahipler; bazıları bir çift düzine aminoasitten, diğerleri binlerce aminoasitten oluşuyor; bazıları suda çözülürken, diğerleri çözülmüyor... Bir hücrede genom hep aynı kalırken, proteom yüksek dinamizm sergiliyor. Bileşimi sürekli değişiyor, sadece yapılanma sırasında değil, besin maddeleri, oksijen, ilaç, stres ya da mekanik baskı gibi etkenlerle de... Çünkü vücut, çevresel etkenlere tepki veriyor ve eğer fizyolojik dengesini korumak istiyorsa (örneğin 37 santigrat derecelik vücut sıcaklığı ve normal kan basıncı), farklı dış faktörleri dengelemek zorunda. Açlık durumunda besin depolarını harekete geçiriyor, fazla besin tüketildiğinde depoya dönüştürüyor. Bütün bu olaylar, proteinlerin yapılanması, tamiri ve yıkımıyla bağlantılı. Kişinin yaşına, günün saatine, ne yenip, ne içildiğine bağlı olarak sürekli değişim gösteriyor.
Protein analizi üstünde çalışan araştırmacıların işi, genetik araştırmalar yapan meslektaşlarından çok daha zor. Çünkü proteinlere, genler kadar kolay ulaşılamıyor; kararsızlar, çevresel koşullar değiştiğinde onlar da yapılarını değiştiriyorlar ve DNA'nın aksine deney tüplerinde üretilemiyor. Buna ek olarak, protein analizine ait yöntemler çok daha pahalı ve zahmetli.
Bütün zorluklara karşın, her geçen gün daha çok bilim insanı (gerek üniversitelerde, gerekse bağımsız tıbbi kuruluşlarda), ilgilerini ve kaynaklarını proteom'un analizine yönlendiriyor. Hücrelerin proteom yapısını ayrıntılı bir şekilde tanımlamayı başarabilirlerse, zaman içerisindeki değişimlerini de saptayabilecekler: Bir insan yaşlanınca, acıkınca, bazı ilaçları alınca, kondisyon gerektiren sporlarla uğraşınca ya da bir tümör geliştirince, proteomlarda ne gibi değişimler meydana geldiğini inceleyebilecekler. Elde edilecek bilgiler, hastalıkların teşhisini kolaylaştırabilir ve örneğin, tümör tiplerinin birbirinden ayırt edilmesini, dolayısıyla hatalı bir tedavinin uygulanmasını engelleyebilir. Hatta, yeni tedavi yöntemleri için sağlıklı bir zemin oluşturabilir.
Peki araştırmacılar, farklı zaman dilimlerinde hücrenin farklı yerlerinde bulunan çok sayıda proteini analiz etmeyi nasıl başaracaklardı? Ayrıca, uygulanacak yöntemin, seri şekilde uygulanabilmesi gerekiyordu. Aksi takdirde hücre içindeki hızlı değişimleri gözlemek mümkün olamazdı.
Uzmanlar, bir hücrenin yapısında bulunan proteomu ölçülebilir hale getirmek için çeşitli yöntemler kullanıyorlar. Bunlardan bir tanesinde 'jel-elektroforez' cihazı kullanılıyor. Söz konusu yöntemle, proteinler iki adımda ayrıştırılıyor. İlk adımda, elektrik yüklerine göre, ikinci adımda ise süzgeç etkisine sahip poliakrilamitten yapılmış plastik jelden geçirilerek büyüklüklerine göre ayrılıyorlar. Biyokimya uzmanları, bu uygulamayla 10.000 proteini birbirinden ayırabiliyorlar. Ardından, bir boya maddesiyle görünür hale getirerek saydam jelin içinde küçük siyah, mavi, ya da florasanlı lekeciklere dönüştürülüyorlar. Böylece, bir hücrede bulunan protein bileşiminin adeta bir sağlık raporu çıkarılmış oluyor. Bir hastalık sonucu proteinlerin miktarında bir değişiklik meydana geldiği takdirde, jelin içindeki nokta deseninde de değişiklik gözleniyor: Örneğin, meme hücrelerinde bozukluk görüldüğünde, kas hücreleri yaşlanmaya başladığında ya da eklemlerde iltihaplanma meydana geldiğinde bazı yeni proteinler ortaya çıkıyor, bazıları kayboluyor. Araştırmacılar, sağlıklı ve hasta hücrelerin proteomlarını karşılaştırarak, hastalıkların gelişimini yeni bir zeminde yorumlamayı ümit ediyorlar.
Jel üzerinde tespit edilen proteinler, özel 'kesici enzimler' sayesinde, daha küçük ve daha rahat incelenebilir molekül parçalarına bölünüyor. Sonuçta ortaya, her bir protein için, parçalarından oluşan yeni bir karakteristik motif çıkıyor. Bu işlem, hem gerçek ortamda hem de bilgisayarda sanal olarak canlandırılabiliyor. Bu yolla, şimdiye kadar tanımlanan bütün proteinlerin, enzimlerle parçalanmaları sonucu ortaya çıkan görüntüleri tek tek bilgisayar hafızasına kaydedildi. Yeni elde edilen protein parçaları, bilgisayara yüklenmiş motiflerle karşılaştırılarak tanımlaması yapılıyor. Net bir sonuca ulaşılamadığı takdirde, motifler jelden kesilerek dev spektroskopi cihazında inceleniyor. Jelden ayrıştırılan protein miktarı çok az olduğu için, analizler daha hassas hale getirilmeye çalışılıyor. Yöntemler zaman içinde öyle bir hassaslığa ulaştı ki, proteinin tanımlanabilmesi için bir miligramının milyonda biri yeterli oluyor.
Ancak aynen genlerin analizinde olduğu gibi, proteom araştırmaları için de yükselen eleştiri sesleri var. Onlar, bu çok masraflı ve zahmetli araştırmayı, samanlıkta iğne aramaya benzetiyorlar. Çünkü, işlevleri açısından daha karmaşık olan hücrelerde, 30.000'e yakın farklı protein bulunduğu düşünülüyor. Üstelik, bu proteinlerin bir çoğunun işlevi henüz bilinmiyor. Kural olarak, protein karmasından sadece küçük bir bölümü alınıp inceleniyor. Bu arada daha önemli proteinlerin gözden kaçıp kaçmadığı ise bilinmiyor.
Berlin'de bulunan PSF'in (Protein Structure Factory) uzmanları, proteinlerin yapısına ulaşabilmek için kristalleştirme yöntemini kullanıyorlar. Büyük hassasiyet gerektiren yöntem için 20-30 miligram protein yeterli. Kimyagerler, yüksek enerjili ışık yardımıyla proteinlerden kristaller üretiyorlar. Önce otomatik pipetörler, protein çözeltisi ve yardımcı kimyasalları, posta kartı formatında plastik plaklara aktarıyor. Plastik plaklar daha sonra bodrum katındaki soğuk depolara gönderiliyor. Düzenli olarak buradaki dolaplardan dışarı çıkarılıyor ve kristallerin gelişip gelişmediğini kontrol için de cihazlarla taranıyor. Kristaller, ideal şekline kavuştuktan sonra, elektron depolama halkasına gönderiliyor. Protein kristalleri, saatlerce yoğun ışık bombardımanına tutuluyor. Araştırmacılar, ışınların atomlara çarparak kırılması sonucu oluşturduğu desenlerden yola çıkarak da, proteinlerin üç boyutlu yapısını hesaplıyorlar.
Magdeburg Üniversitesi Tıbbi Nörobiyoloji Enstitüsü araştırmacılarından Walter Schubert, protein analizinde başka bir strateji izliyor. Yeni geliştirilen ve patenti alınan bir okuma teknolojisiyle, hücrelerin parçalanmasına gerek kalmıyor. Hücrelerin içinde bulunan büyük protein ağını ve aralarındaki etkileşimleri bir bütün olarak inceliyor. Hastalıktan sorumlu anahtar proteinler, bu şekilde çok daha çabuk fark edilebiliyor. Schubert'in ekibi, önleyici bir madde yardımıyla, tümör hücrelerinde anahtar görev üstlenen bir proteinin, vücutta metastazlar oluşturmasını sağlayan "yönlendirici hafızasını" yok etmeyi başardı. Hastalık yapan protein saptandıktan sonra, uygun ilacı geliştirmek de kolaylaşıyor. Bu motif doğrultusunda, HIV enfeksiyonuna müdahalede kullanılmak üzere, bir proteaz-önleyici ve paraenfluenzaya karşı bir nöraminaz önleyici geliştirildi. Ancak farmakoloji alanında araştırma yapan uzmanların hayalleri bunlarla sınırlı değil: proteomla ilgili araştırmaların asıl hedefi, kişiye özgü ilaçlar geliştirmek. Gelecekte, bir hastalığın tedavisinde en etkili ilacın hangisi olduğunu bulmak amacıyla deneyler yapmak yerine, bireysel protein profilleri yardımıyla kişiye özel etki maddesi hazırlanabilecek.
Tüm bu ümitlerin gerçekleşip gerçekleşmeyeceği bilinmemekle birlikte, İlaç şirketlerinin yöneticileri, genom araştırmacıları ve spekülatörler, "proteomics"i gelecek yılların en önemli araştırma konusu ilan ettiler.
Kaynak : http://www.focusdergisi.com.tr/bilim/00154/
