Proteinler hayatın yapı taşlarıdır. Vücudumuzda bulunan hücrelerin içindeki birçok fonksiyon proteinler tarafından gerçekleştirilir. Doğada her şey dengede olduğu gibi, proteinler de hücre içinde aktif ya da pasif durumda bulunup gerçekleştirdikleri biyolojik fonksiyonları kontrol altına almış olurlar. Birçok hastalıkta proteinlerin bu aktivite geçişlerinde problem olduğundan, proteinlerin hücre içindeki bu özelliklerini anlamak gelecekte birçok hastalığın tedavisine yardımcı olabilir.
Harvard Üniversitesi’nden Dr. Onur Dağlıyan, proteinlerin bu aktivite geçişlerini ışıkla kontrol edilmesini sağlayan teknolojiler üzerine çalışıyor. Dr. Dağlıyan’ın Science Dergisi’nde[1] yayınlanan yöntemlerinden biri, kötü huylu kanser hücrelerinin vücutta diğer organlara yayılmasına sebep olan proteinlerin nasıl çalıştığına ışık tutuyor.
Yaklaşık 15 sene önce bilim insanları alglerden klonladıkları mavi ışığa duyarlı Channelrhodopsin adlı proteini sinek ve fare beyinlerine göndererek, beyindeki sinir hücrelerini ışıkla kontrol etmeyi başardılar. Stanford Üniversitesi’nden Dr. Karl Deisseroth liderliğindeki grup, dikkatle seçilmiş birkaç nörondaki elektriksel aktiviteyi kontrol etmek için optogenetik adını verdikleri bir teknoloji kullandı. Önce bu nöronları ışığa duyarlı olacak şekilde tasarladılar. Daha sonra, implant edilmiş optik fiberleri kullanarak, duyguları işlemeyle ilgili bir beyin bölgesi olan amigdaladaki belirli bir sinir yoluna mavi ışık yaktılar.[2] Anksiyeteyi tedavi etmek için bir seçenek olarak fareler üzerinde bu yöntem kullanılıyor. Optogenetik adı verilen bu yöntem genetik görme, işitme bozukluklarına, depresyon, Parkinson ve Alzheimer gibi birçok hastalığın tedavisinde kullanılabilir.
“Bir proteini ışıkla açıp kapatıp ileride kanser, otoimmün ve diyabet gibi hastalıklarda tedavi amaçlı kullanabiliriz”
“Optogenetikle sinir hücrelerinin kontrolü sinir biliminde bir devrim yarattı” diyen Dağlıyan, “Beynimizdeki sinir devreleri davranışlarımızdan, hafızaya ve öğrenmeye, organlarımızın isleyişlerinin kontrolüne kadar birçok önemli fonksiyonu kontrol eden yapılar. Birçok psikiyatrik, psikolojik, bilişsel ve beyin gelişimi hastalıklarında bu devrelerin yanlış çalıştığı biliniyor ve bu devrelere doğru şekilde müdahale ile bu hastalıkların tedavisi bir gün mümkün olabilir. Işığa duyarlı Channelrhodopsin gibi iyon kanal proteinleri ile sinir hücrelerindeki iyon akışını kontrol edip, belli sinir hücrelerinin istenilen zamanda ışıkla açılıp kapatılmasını kontrol edebilmek artık mümkün. Ama benim ilgilendiğim büyük soru bu yöntemi kanal proteinlerinden başka proteinlere uygulayıp hücrelerin başka fonksiyonlarını da kontrol edebilir miyiz? Bunu başarabilirsek sadece fonksiyonu tam bilinmeyen bir proteini ışıkla açıp kapatıp hücredeki rolünü öğrenmenin dışında, ileride sinir hastalıkları dışındaki diğer hastalıklarda mesela kanser, oto-immun ve diyabet gibi hastalıklarda da tedavi amaçlı kullanabiliriz. Ayrıca bunların yanında mikroorganizma mühendisliği, akıllı tarım, akıllı biyosensörler ve sentetik biyoloji gibi birçok alanda büyük etkisi olacağını düşünüyorum” diyor.
Bilimsel araştırmaları Science, Nature Communications[3], PNAS, gibi dünya çapında en önemli dergilerde yayınlandı.
Koç Üniversitesi Kimya ve Biyoloji Mühendisliği bölümünde lisans ve yüksek lisans eğitimini alan Dr. Onur Dağlıyan, ilaç dizaynı ve yapay zeka gibi konularda çalıştı. Kuzey Karolina Üniversitesi’nde doktorasını tamamlayan Dağlıyan, burada protein mühendisliği teknolojileri, hücre biyolojisi ve görüntüleme gibi konular üzerine odaklandı. Doktora sonrası çalışmalarını Harvard Üniversitesi Tıp Fakültesi’nin Sinir Biyolojisi Fakültesi’nde sürdüren Dr. Dağlıyan, otizm ve zeka geriliğine sebep olan bir gen mutasyonunun mekanistik olarak bunu nasıl yaptığını araştırıyor. Farelerde bu geni silip embriyo ve bebek farelerde beyin gelişiminin nasıl bozulduğunu araştıran Dağlıyan, ayrıca doktora sırasında geliştirdiği teknolojileri “beyin sorularına nasıl uygulanabileceği” üzerine platformlar geliştiriyor. Dr. Onur Dağlıyan’ın yaptığı bilimsel araştırmalar Science, Nature Communications[4], PNAS, ACS Synthetic Biology, Nature Protocols, Nature Methods gibi dünya çapında en önemli dergilerde yayınlandı.
“Memeli hücrelerinin içindeki birçok proteini ışıkla kontrol altına almak mümkün”
Proteinleri hücre içerisinde ışıkla kontrol ederek, mekanizmalarını daha iyi anlamak için çalışan Dağlıyan, “Her proteinin kendine özgü üç boyutlu bir yapısı var ve bu onun fonksiyonunu belirleyen önemli bir özellik. Bu üç boyutlu yapı onu hücre içinde diğer proteinlerle nasıl iletişime geçeceğini, sinyalleme mekanizmalarını, hangi biyokimyasal reaksiyonu gerçekleştireceğini belirliyor. Mesela bir protein hücre içinde başka bir moleküle bağlanırken, iki lego parçasının birbirine geçmesi gibi proteinin doğru geometrik şekilde olması gerekir. Tabii proteinler lego parçaları gibi statik değil, birçok şekle girebilir. Hücreler bazı proteinlerin bu bağlanmalarını, yani, onların fonksiyonlarını kontrol edebilmek için proteinler üzerinde bazı biyokimyasal reaksiyonlar gerçekleştirir. Bu aktivite kontrolünü bazı bitkilerde bulunan mavi ışığa duyarlı bir proteini (LOV2) kullanarak gerçekleştirdik. LOV2 proteini mavi ışığı absorbe ettiği zaman yapısını değiştirebiliyor. Biz de LOV2 proteinini kontrol altına almak istediğimiz proteine “takarak” bir nevi hedef proteine ışık düğmesi bağlar gibi memeli hücresinin içinde proteini ışıkla kontrol altına almış olduk. Böylece memeli hücrelerinde bu şekilde modifiye edilmiş proteinleri hücrelerin üzerine yansıttığımız ışıkla açıp kapatabilmiş olduk. Işık kullanmanın avantajı hızlı olması. Işığın protein üzerindeki yarattığı yapısal değişiklik milisaniyenin altında ve ayrıca spesifik olarak hücrenin herhangi bir noktasına gönderilebilmesi mümkün” şeklinde konuşuyor.
“Proteinlerin mekanizmasını çözmek, hastalıkların tedavi şekillerini değiştirebilir”
“Bu teknolojiyi kullanarak böylece çalışılmak istenilen proteini ışıkla açıp kapatarak hücre içinde özellikle hücre hareketi gibi dinamik olaylar sırasında ne yaptığını anlamaya başlamış olduk” diyen Dağlıyan, sözlerini şöyle sürdürdü: “Bunlardan bir tanesi metastatik kanserlerde fazlasıyla aktif olan Src kinase proteini. En ölümcül kanserlerin hastaya çok ağır tahribatlar vermesinin ana sebebi, kanser hücrelerinin bir tümörden başka organlara gitmesi ve o organda da tümör başlatması, bir başka deyişle metastaz. Pankreas, akciğer, bağırsak ve bazı göğüs kanseri türleri en ölümcül metastatik kanserlere örnek. Bu kanserlerde Src proteinin fazlasıyla aktif olduğu biliniyordu ama metastaza nasıl sebep olduğu bilinmiyordu. Biz de hareket eden hücrelerde geliştirdiğimiz bu teknolojiyle Src proteinini ışıkla açıp kapatarak hücreleri nasıl hareket ettirdiğini anlamış olduk. Bu teknoloji var olan diğer gen silme (knock-out) ya da RNA sessizleştirme (knock-down) teknikleriyle mümkün değildi, bu yüzden geliştirdiğimiz teknoloji bu bilinmeyene kelimenin tam anlamıyla ışık tutmuş oldu.”
“Metastaz kanser ölümlerinin ana sebebi ama hala agresif kanser hücrelerinin etkili bir şekilde yayılmasını gerçekleştiren proteinlerin hücrede nasıl çalıştığını tam anlamış değiliz”
Dağlıyan, çalışmalarında hücre hareketine odaklanma sebebini işe şöyle özetliyor: “Hücre hareketi hayatın en önemli parçası. Hücreler farklı seviyelerde hareket edebilirler. Birçok hücrenin bir araya gelip dokuları ve organları oluşturması gerekir, bu da hücrelerin doğru zamanda doğru yere gitmesini gerektirir. Başka bir örnekle anlatırsam, vücudumuza giren bir patojeni yakalayan bağışıklık hücreleri, patojeni yakalayabilmesi için çok etkili bir şekilde hareket etmesi gerekir. Yine benzer bağışıklık hücrelerinin vücutta kanser hücreleri daha oluşmaya başlamadan onları bulup tespit edip etkisiz hale getirmesi gerekir ve bu da doğru zamanda doğru yere hareket etmesiyle mümkün. Bunlar dışında kanser hücreleri de bulundukları tümör ortamından başka organlara yayılması yani metastaz denilen süreçle gerçekleşiyor. Metastaz kanser ölümlerinin ana sebebi ama hala agresif kanser hücrelerinin etkili bir şekilde yayılmasını gerçekleştiren proteinlerin hücrede nasıl çalıştığını tam anlamış değiliz. Bu hareketlerin moleküler mekanizmalarını anlayabilirsek, bunların metastaz yapmasını da engelleyebiliriz. Hücre hareketi ayrıca beyin gelişimi, öğrenme ve hafıza konularında da çok önemli.”
“Proteinleri kontrol altına almak immünoterapi yan etkilerini azaltabilir.”
Işık ile proteinlerin kontrolünün dışında bir molekül ile kontrol altına alacak yeni bir teknoloji daha geliştiren[5] Dağlıyan, “Benzer bir strateji ama bu defa ışığa duyarlı bir protein yerine dizayn ettiğim protein ufak bir moleküle duyarlı, böylece proteini ufak bir molekülle kontrol altına alabiliyoruz. İleride proteinleri kontrol altına alabilmek, yani deney yapan kişinin açıp kapatabilmesi birçok heyecan verici uygulamaları da beraberinde getirecek. Mesela immünoterapi alanında yenilikler olacak. Son zamanlarda immünoterapi alanındaki gelişmeler çok umut verici. Bu tarz kanser terapisinde bağışıklık hücrelerinin laboratuvarda güçlendirilip kanser hastasına yollanarak tümör hücrelerinin öldürülmesi hedef alınıyor. Ama bazı hastalarda bu modifiye edilmiş bağışıklık hücreleri aşırı aktif olduğundan birçok yan etkiye, inflamasyon, hatta ölümcül reaksiyonlara sebep oluyor. Bu kanser öldüren hücreleri içindeki bir proteini kontrol ederek dizginleyebildiğinizi düşünün. Yani bu modifiye bağışıklık hücrelerini işini bitirdiğinde yani kanser hücrelerini öldürdüğünde dışardan yollayacağınız bir molekülle kontrol altına alıp tüm bu yan etkilerden kurtulmanız mümkün” diye konuşuyor.
[1] https://science.sciencemag.org/content/354/6318/1441
[2] https://www.nytimes.com/2011/05/17/science/17optics.html
[3] https://www.nature.com/articles/s41467-018-06531-4
[4] https://www.nature.com/articles/s41467-018-06531-4
[5] https://www.pnas.org/content/110/17/6800
