Ned Seeman’a göre DNA yalnızca yaşamın büyük sırlarının bulunduğu bir ardiye değil, aynı zamanda, şimdiye kadar yaratılan en muazzam yapı oyuncağı.
Ned Seeman’m ofisinde, tavandan misinayla asıinuş bir şeyler sarkî-yardK. Yanır, düzine pjasr:k r^ru. sarmal bir DNA m lekûl’imnn ^:r: î:: ancmacak b:r biçimde çnrlere ayn.-ıruşn. ancak DNA mçmr zaman mv_e değildi. Oluşlum!-.r_ – ‘”un p-Usm-i sarmallan. bas:: bir d İt .’_1 dizi ¿’luş-rurmak verice. b:rb:nne dolanirien ver yer ayrılıp yer yer buluşarak küpe benzer diba karmaşık bir doku oluşturuyor. Odamı? diğer tarafında, iki pencerenin arasındaki bir masada, çubuk ve toplardan oluşan karmaşık bir düzenek var. Bu, küçük bir çocuğun Tînkertoy setiyle -setin yeterince büyük ve çocuğun da yeterince sabırlı olduğu varsayılırsa- oluşturabileceği bir düzeneğe benziyor. Ancak bunun New York Üniversitesinden bir kimya profesörünün odasında olması oldukça şaşırtıcı ve eğlenceli.
Ofisten sonra, Seeman’in labora-tuvarı insanı biraz ııayai Miıkn^nıa ııeratıvor; içinde dünvanın her verin-
! ı :
tezi yapan bir alet, diğer yanda bir jel elektroforez ünitesi ve köşede ise tepkimelerin belirli sıcaklıklarda gerçekleşmesini sağlayan ısıtma blokları duruyor. Hepsi DNA’yı ve tuttuğu genleri araştırmada kullanılan standart aletler. Elbette bunda yadsınacak bir şey yok; gen haritalaması ve genetik mühendisliği çok güncel konular. Ancak, Seeman’in ofisi, burada alışılmadık bir şeylerin dönüyor olabileceği izlenimi veriyor. Gerçekten de
öyle. Araç-gereçlerden de anlaşıldığı gibi. Seeman gerçekten DNA ile meşgul. arc^ak yaptığı, genleri incelemek ya da >le~ek cegü. Bunun yerine. DNAV: mikrtskopik yapa projelerinde hammadde olarak kullanıyor. Kimyasal tepkimeleri, kısa DNA parçalarını bir araya getirmek için kullanarak. 10 milyon tanesi uç uca eklense bile uzunlukları toplamı bir karışı geçemeyecek küçük dokular meydana getiriyor. Sarmal şekilde plastik borulardan meydana gelen küp, Se-eman’ın yapılarından bir tanesi; onları canlandırabilmek için daha iyi bir yol, DNA‘nın sarmal yapısını bir an için göz ardı ederek her DNA’yı sadece kısa bir çubuk olarak düşünmek. Böylece, Seeman’ın araştırmasının moleküler Tinkertoy’larla yapı kurmaya denk olduğu anlaşılıyor. Se-eman’ın çalışması, Tinkertoy çubuklarını yere döküp onlarla neler yapa-
DİİCLCKILI iıii ULi?U* iiiiLi ? ¡\.üi
çok çekici. Bir köprü mii? Ya da bir ro-
E t T
<i ¡r
UiNA’yı bir yapı malzemesi ofaraK kullanma fikri, çalışmanın tümüne meraklı bir çekicilik katsa da aynı zamanda hayali olma sıfatım da taşır.
Yıllardır, bilim adamları bir atomdan pek de büyük olmayan cisimler tasarlamayı ve yapmayı hayal ediyor. Kimilerine göre, bilim adamları bunu başardıklarında, ortaya çıkacak mucizelerin listesi sonsuz olacak: Tek bir molekülün içine bilgi depolayabilen mikroskopik bilgisayarlar, kendilerini
milyarlarca kez çoğaltabilen makineler, virüsleri yok etmek için hastanın vücudunda dolaşan minyatür tıbbi robotlar… Seeman’ın basit DNA düzenlemeleri, geleceğe ait bu tür uygulamalardan oldukça uzak; ancak belki de, bu uzak hedefe ulaşabilmek için atılacak en önemli adım.
Seeman, yapı malzemesi olarak kullandığı malzemenin garip göründüğünü kabul ediyor. Gerçekte, DNA bir makarna yığını gibi görünür; her makarna çubuğu, o yana, bu yana bükülerek, çoğunlukla kendi üzerlerine kıvrılıp halka ya da sekiz şekli oluştururlar. Seeman endişelenmeye gerek olmadığını söylüyor. Bu makarna, pelte gibi fazla pişmiş değil ve “kısa parçalar göreceli olarak daha diri”. \apım sırasında kullandığı küçük parçaların boyları enlerinin yaklaşık olarak 3,5 katı -6-7 mm uzunlukta kırılmış spagetti parçaları gibi- olduğu için Seeman kıvrılabilirlik problemini neredeyse tamamen yok sayıyor.
Bunun yanında, tutmak ve hatta görmek için bile çok küçük yapıtaşları olan yapım projelerinde DNA kullanımını uygun yapan bir özellik var: DNA kendi kendine birleşiyor. Uygun koşullar altında doğru DNA zincirleri bir deney tüpüne koyulduğunda kendiliğinden birbirlerine tutunacaklardır. Gerçekten de, test tüpüne konulan DNA miktarına bağlı olarak milyonlarca ya da milyarlarca farklı yapı kendiliğinden oluşuyor. DNA’nın genetik şifreyi taşıyabilme becerisinin temelinde, bu kendiliğinden birleşmenin getirdiği kolaylık var; ancak Seeman’den önce kimse bunu konstrüksiyona uygulamayı dü-
i» i ■ i * Li»
Her biyoloji öğrencisinin bildiği
r
I
Ue Kıvrılmış oıarı rtu u^uıı iuuickui. Hücre bölünmesi sırasında ya da DNA’nın kopyalanmasının gerektiği özel durumlarda, bu çift sarmal fermuar açılarak iki zincire ayrılır; ancak bu zincirler ilk fırsatta kendiliğinden birbirlerine bağlanır. Bu karşılıklı çekim, zincirlerin yapısından kaynaklanır. Her bir DNA zinciri baz olarak adlandırılan birimlerden oluşan diziler içerir. A, T, G ve C (adenin, timin, guanin ve sitozin) olarak adlandırılan
Organik Bir ‘Yap Boz’
bu dört çeşit bazdan A ile T arasında ve G ile C arasında kimyasal bir çekim vardır.
Bu çekimin sonucu olarak, örneğin AGGA içeren bir DNA zinciri, tamamlayıcı zinciri olan TCCT’ye tutunur. Bunların hiçbiri yeni bilgi değil elbette; bu konu 1950’nin başlarında James Watson ve Francis Crick’in çalışmalarının nobel ödülü kazanmasından beri biliniyor; ama Seeman’ın uyguladığı yöntem yeni. Bilim adamları, geleneksel olarak, birbirini tamamlayan DNA zincirleri arasındaki çekimi, sadece hücrelerin içinde doğal olarak bulunan uzun çift zincirlerin yaratılmasında bir yol olarak düşünüyorlardı. Sccman, bunun çok daha ilginç nesneler yapmada kullanılabileceğini fark etti.
Bu görüş, DNA’ya biraz uzaktan bakabilip, genetik şifreden daha fazlasını algılayabilecek birilerini gerektiren türden. Seeman bu tanıma uyuyor. DNA’yı moleküler Tinkertoy’lara dönüştürmeyi ilk düşündüğünde genlerden uzak bir bilim dalıyla ilgileniyordu; kristal yapabilmenin yollarını arıyordu.
1970’lerin sonlarında, Seeman, Al-bany’deki New York Eyalet Üniversi-tesi’nde kristalograf olarak görev yapıyordu. Kısa DNA parçacıkları gibi ufak biyolojik molekülleri alarak, bunlardan kristal oluşturmayı düşünüyordu. Fikir, kristalize olmuş moleküller üzerine X-ışını göndermek ve diğer taraftan çıkan radyasyonu analiz ederek molekül yapılarını incelemekti. Bu tür X-ışını kristalografisi bir molekülün yapısını -bir atomun diğerlerine göre konumunu- tam olarak belirler; bu da bir molekülün işleyişinin anlaşılması için gereklidir. İlaç firmaları, örneğin proteinlerin ve vücuttaki diğer moleküllerin yapısını öğrenmek için büyük servetler harcarlar, çünkü bu şekilde, onların işlevlerini taklit edebilecek ya da yapılarıyla oynayabileceklerdir.
Seeman, DNA’yla ilgili bir molekül olan RNA üzerine uzmanlaştı ve çok sayıda RNA parçasının yapısını tanımlamayı başardı. Ancak bundan sonra ilerleme önemli bir engelle karşılaştı; Seeman bunu “İlgilendiğim kristallerin hiçbirini üretemedim.” sözleriyle dile getiriyor. Düzensiz şekilli ve oymalı olan biyolojik moleküllerin düzgün ve eğilmeyecek bir
kristal biçiminde dizilmesini sağlamak. zor ve dikkat gerektiren işlerden biri; bir araştırma grubunun :ek bir karmaşık molekülü kristaMze ermek için yıllarca uğraşması biç de olağandışı değil. Bazen, araştırmacı zor bir molekül seçebilir ve onu asla kristal haline getiremeyebilir. Seeman’ın içinde bulunduğu durum da böyleydi ve bu da onu huzursuz ediyordu. Seeman bunu “Bir şeyler yapmalıydım, kristalleri olmayan bir kristalograf zor durumda demektir.” diye ifade ediyor. Öyle ki, meslektaşı Bruce Robin-son, kristalografiyle ilgili olmayan bir konuda yardım istediğinde Seeman buna olumlu cevap verdi. Robinson. 2 DNA zincirinin bir araya gelmesi sonucunda oluşan dört kollu kesişirler olan Hoiliday bağlantılarıyla tlsteni-yordu ve Seeman’dan Hoiliday bağlantısının fiziksel bir modelini yapmasını istemişti. 1979 yılının başlarındaki bu araştırma, Seeman’ı DNA ile uğraşmaya yöneltti.
Hoiliday bağlantısını tanımlamak gerekirse, işe öncelikle her biri 20 baz uzunluğundaki 4 DNA zinciriyle başlamak gerek. Şimdi iki zincir yarısına kadar fermuar gibi kapanmıştır; böy-lece her biri 10 baz uzunluğunda bir çift zincir oluşur. Aynı işlem kalan iki zincirle de tekrarlanır. İki tane T şeklinde düzenek elde edilir; her T’nin dikey çizgisi çift, üst çizgisi ise tek zincir halindedir. Her iki T’den birer tek zincirli kol alınır ve ikisi biraraya getirilerek, fermuar gibi kapatılır, aynı işlem sonra da kalan iki uçla tekrarlanır. Oluşan çift zincirlerin her biri
DNA uzerir.ie ^ışjıinıüaır. 3in vi-şam ronkkülSnön. hücrelerdeki çeşitli süreçler sırasında bu tür tipik olmayan şekiller aldığını iyi bilirler. Bunlar çoğu zaman spagetti parçaları gibi görünebilirler; ancak DNA ara sıra kendini Hoiliday bağlantısı şeklinde ya da daha ilginç yapılanmalarla yeniden düzenler. Bu şekillerin yarattığı olanakları Seeman’dan önce hiç kimse görememişti.
Seeman, Hoiliday bağlantısr modelleriyle uğraşırken. DNA zinc:r!en-iî5 oluştun” teme] baz çizilişlerini de-
fark etti. İki özdeş zir.cır ti-
plimi} olan tipik bir Hoiudav bağlantısı hareketlidir; zincirlerin iki ucu fermuar gibi kapanarak bir araya gelirken diğer ikisi açılan fermuar gibi birbirinden ayrılacağı için kesişim noktaları hareket edebilir. Eğer kesişim yeterince ileri kayarsa, Hoiliday bağlantısı iki çift zincire ayrılır. Bununla birlikte, Seeman 4 tek zincirin eşleşme planını, Hoiliday bağlantısının yerini sabitleştirecek şekilde tasarlayabileceğim fark etti.
Kısa bir süre sonra, kendini 4 kollu bağlantılarla sınırlamasına gerek olmadığının farkına vardı. Kesişimleri sekiz kolda oluşturabilirdi. Doğada, 3 ya da 6 kollu DNA bağlantıları bulunmuyor olabilirdi ama bunu kendisi yapabilirdi.
Bu bağlantıların nasıl yapılacağını hesaplamak zihinsel açıdan zor, ama eğlenceliydi: ancak herhangi bir işe yarayacak iriydi? Seeman bunu bilmiyordu ama rjıra bunEan araştırmasının şercknğm: ciîş’Jirrdii.
Ardından. düjunme ihdyac: duyduğu zamanlarda şsnelllsis yapağı şey: yapn: “Kampüsrek: pub’a şırrmsı ve bir bira ısmarladım,” \e crada oru-rup birasını yudumlarken birden kafasında bir şımşss çakrı. Seeman sözlerine. “5 koCu bağlantıları düşünüyordum ve Escher’in ‘Derinlik’i aklıma geldi.” diyerek devam ediyor. Ünlü E seher çizimi, bir başı, bir kuyruğu ve yukarıyı, aşağıyı, sağı ve solu gösteren dört belirgin yüzgeci olan, stilize edilmiş üç boyutlu bir uçanbalığı gösteriyordu. Balık, Seeman’a 6 kollu bağlantıları çağrıştırdı. Kolun biri başa, biri kuyruğa, diğer dördü yüzgeçlere doğru; böylece, bağlantılarını
İLSCiiCı ili uciiigi ÇiZüigi ^IDi üuZCIiiC-
meyi düşündü. Her bağlantı, diğer 6 bağlantıyla temas halinde olacaktı; yukarıda ve aşağıda, önde ve arkada, sağda ve solda. Balıklar arasında boşluk bırakan Escher’den farklı olarak bağlantıları uç uca ekleyecekti vc bir gökdelenin çelik iskeletini andıran ve DNA’dan yapılmış ama daha küçük bir dokuya sahip olacaktı.
Bu düşünce, molekülleri kristal düzenine getirmekte zorlanan bir kristalograf için oldukça heyecan vericiydi. Eğer, bu tür bir DNA dokusu oluşturabilirse, bunu, molekülleri düzgün tutabilmek için bir yapı iskeleti olarak kullanabilir ve hemen her
molekülü istediği gibi kristalize edebilirdi. Seeman, bu rüyayı inatla 16 yıldır gerçekleştirmeyi hayal ediyor ve “Sanırım sonunda hedefimize doğru yaklaşıyoruz” diyor.
Seeman’ın o gün kampüs pub’ın-da kendisi için belirlediği özel hedef-ren daha da önemlisi, bunun ifade etçiği düşünce değişikliği. Daha önceleri. 4 koEtu b kollu ya da benzeri bağlantıları. tasarlaması ya da üzerinde çalışması ilginç ama daha fazla önemi olmayan izole nesneler olarak görüyordu. Birdenbire, akıllıca bir öngörüyle bu DNA parçacıklarını, daha karmaşık ve büyük yapılar oluşturmak için kullanılabilecek yapıtaşları olarak görmeye başladı. Bunun olumsuz yanı ise, öngörüsünün zamanına göre birkaç yıl ileride olmasıydı.
1980 yılında DNA üzerinde çalışmak için kullanılan malzemeler oldukça ilkeldi. Örneğin, DNA sentezi-
dana getirmek için Seeman’ın her biri en az 16 baz uzunluğunda -20 baz olsa daha iyi- 6 ayrı zincire ihtiyacı vardı. Ancak, bu fikrin pub’da aklına gelmesinden bir yıl sonra, sadece 12 bazlık bir DNA zinciri oluşturmak için, en yeni teknikleri kullanan mükemmel bir kimyager bile yaklaşık üç aya gereksinim duyacaktı. Sadece bir DNA Tinkertoy’u yapmak için her biri 16 bazlık 6 zincir kullanmak ise söz konusu bile olamazdı.
Şans eseri, gereken teknolojik gelişmeler tamamlanmak üzereydi. 1980’lerin başından başlayarak kimyagerler hızlı bir biçimde daha uzun
DNA zincirleri oluşturmak için yöntemler geliştirdi ve sonra bunu otomatikleştirdiler. Günümüzde ise ticari olarak pazarlanan makineler 100 bazdan uzun ısmarlama zincirler yapabiliyor. Örneğin, Seeman’m bir DNA küpü yapmak için 100 bazlık bir zincire ihtiyacı olduğunda, sentez makinesine bağlanmış olan bilgisayara gerekli özellikleri giriyor ve 18 ya da 20 saat içinde istediği DNA küpüyle dolu test tüpünü alabiliyor.
Seeman, programının geçtiğimiz on beş yıl içinde moleküler biyolojideki birtakım gelişmelerden yararlandığını belirtiyor. DNA’nın hücre içindeki rolüne ilişkin bilgileri araştıran araştırmacılar, sadece DNA zincirlerini sentezlemek için değil, kesmeyi, yapıştırmayı, saflaştırmayı ve analiz etmeyi de gerçekleştirmek için teknikler geliştirdiler. Seeman bu teknikleri DNA ile yapılandırma işlemine uyarladı.
Seeman, 1980’lerde iddialı programını sürdürmek için zemin hazırladığını hatırlatıyor ve “Bu, DNA sentez cihazı almamızdan beş yıl önceydi” diyor. Seeman, tamamen yeni bir bilim dalında kendini yetiştirmek zorundaydı Düşüncelerini, 4 kollu bağlantılar ve dikdörtgenler gibi basit, iki boyutlu yapılar oluşturarak test etmeye başladı. Bunlar bile çok kolay değildi. Seeman bu durumu “Moleküler biyoloji tekniklerinden herhangi birini bile kullanmayı bilmiyordum” sözleriyle anlatıyor; “Yanlış yapmamayı öğrenmeniz gereken milyonlarca küçük şey var”. Tepkimeleri çok yüksek ya da çok düşük sıcaklıklarda gerçekleştirmek, belirli bir enzimden çok az çok fazİa eklemek, enzimin çö-zekide yanlış yoğunlukta olması… Bunların her biri başarısızlığa yol açabilirdi.
Seeman sonunda başardı ve 1988 yılında üç boyutlu moleküllere geçmek veterinoe nprendimne karar
—— – 5— j——— “ O——-O————
verdi. Bir küp yapabilirdi. Bu adım DNA’lı yapı programının tanımlayıcı çalışmasıydı. Seeman, ilk defa olarak doğada bulunandan daha karmaşık bir şeyleri yan yana koydu. Se-eman’ın laboratuvarlarında uzun ikili sarmalların birbirine eklenmesinden fazlası yapılıyordu. Bu laboratuvarlar diğerlerinden ayıran da, burada karmaşık moleküllerin birleştiriliyor olu-
iVüjJ üiUŞlUidL-aiV
biçimde bir araya getirmek kolay değil. Sorun köşeleri yapmaktaydı; DNA dünyasında, bir Tinkertoy setindeki delikli yuvarlak parçalar gibi bağlantılar yoktu. Teorik olarak, her biri 3 kollu bağlantı olan 8 köşeli bir kübü yapmak mümkün olabilirdi. Ancak, Seeman bu seçeneği hiç göz önüne almadı. Bu işlem 8 ayrı birleştirme adımı gerektirecekti ve Se-eman’a göre bu 8 adım oldukça yetersizdi. Bunun yerine, Tinkertoy mantığına tamamen yabancı; ancak DNA için oldukça doğal olan bir yöntemi yeğledi.
Bu yöntem, uç noktalarının birbirine eklenerek bir halka oluşturduğu
2 adet 80 bazlık DNA zinciri ile başlıyor. Bu iki parça en sonunda kiibiın sağ ve sol yanları haline gelecek. Seeman her halkaya her biri 4ü baz uzunluğunda olan ve büyük parçayla fermuar gibi birleşerek bir çift yarım küp -her köşeden birer kolun sarktığı kareler- oluşturan 4 tane DNA zinciri daha ekliyor. Son olarak, kolları uç uca ekleyerek 2 yarım küpü birleştiriyor. Sonuçta oluşan küpün, her biri 20 baz uzunluğunda çift DNA zinciri olan 12 kenarı ve 3 kollu bağlantı şeklinde 8 köşesi var.
Seeman, küpü yaptıktan üç yıl sonra, tepesi kesik bir oktahedron -alt ve üst kısmı kesilip atıldığı için, altı kare ve sekiz altıgen kenarı bulunan bir cisim- oluşturmak için daha karmaşık bir yöntem izledi. Bu karmaşık yapının çözeltide kaymasını ve istemediği yerlere bağlanmasını önlemek için, onun parçalarını bir teflon desteğe tesbit etmesi gerekiyordu. Bu başarı ona, istediği takdirde daha karma-
şık nesneleri de oluşturabileceği konusunda güven verdi. “DNA’dan hemen her topolojik cismin nasıl oluşturulabileceğini bildiğimize inanıyoruz”. Ancak Seeman’ın, DNA Tinker-toy’ları hazır olmadan önce, çözmesi gereken büyük bir problem daha var.
Yapım sırasında kullandığı kısa DNA iplikleri katı olduğu halde, bir araya geldikleri bağlantılarda bu görülmez; bağlantılar gevşektir. Bunun, Tinkertoy’lardaki olağan tahta bağlantılarının yerine lokum kullanılması gibi olduğunu söyleyen Seeman. bu yüzden, örneğin kiibün köşesinin r^rr. bir dik açı şeklinde :c-
^eem^nı, ne __tu-
nların gevşek olduğunu zaten biliyordu, ama üç boyutlu cisimler de oluşturabileceğini kanıtlamak için yavaş yavaş devam etmeyi yeğledi. Ardından, oluşturduğu yapıları daha katı hale getirmenin yolunu aramaya başladı. Simdi, bunu bulduğunu düşünüyor.
Çözüm iki aşamalı. Seeman ilk olarak, temel yapıtaşları olan dikdörtgenleri üçgenlerle değiştirdi. Eğer bir dikdörtgenin köşeleri gevşekse kenarlar hareket edebilir; ama bir üçgendeki köşeler gevşek olsa bile, bu sorun yaratmaz. Fakat, eğer iki üçgen birleştirilirse, birleşme noktası katı olmadığı sürece birbirlerine göre bağıl olara^hareket edebilirler. Seeman bunun nasıl önleneceğini bildiğini düşünüyor. Bunun için, birbirine yakından bağlanmış iki Holliday bağ-
lantısı içeren, “çift kesişmeli molekül” (double-crossover molecule) olarak adlandırılan katı bir bağlantı tipi geliştirdi. Bu moleküller, Seeman bir düzineden daha fazla sayıda kısa parçacığı bir sırada birleştirirken, onların kendi üzerlerine sarkarak halka oluşturmasını önlemesini sağladı. Seeman, üçgen yapıları “çift kesişmeii moleküllerden oluşan düz çizeilerie birleştirmenin, iki boyıırlu >e~ ‘-¿r:-lar oluşturmasına oknîk <ız.r- ¿at.-na inanıyor,
Sesnır.. ‘1zzît..î?zz~. * *
olabilir.
Şimdilerde Seeman. ”5-için zaman sınırı koyamazsınız.’ memesine rağmen, iki yıl içinde bitmiş olacağını ümit ederek, “çift kesişmeli molekül”leri üçgen şeklinde iki-bo-yutlu çerçeveler haline getirmeye çalışıyor. Ondan sonra üç-boyutlular üzerinde çalışmaya başlayacak; sonunda bu yapıları, biyolojik molekülleri kristalize etmekte kullanabileceği bir yol bulmayı ümit ediyor. Şansı yaver giderse, bu işi kampüs barındaki o günün 30. yıldönümünde bitirebilir. Bu da iyi olurdu; 30 yıl, Tinkertoylar-la oynamak için çok uzun bir zaman.
Pool, R. Discover, Şubat 1997 Çeviri: Bezen Hindistan
oluşturduğundan
farklıydı. Eşit boyda 12 DNA parçacı-
şuydu ve çok sayıda yeni DNA yapı teknolojilerinin gelişmesine yol açtı. Örneğin, Seeman, DNA’yı biçimlendirmek için hazırlanan bilgisayar yazılımlarını, amaçlarına uygun olmadığı için hiç kullanmazdı. Görüşlerini “Moleküler biyoloji için yeterli olan, bizim yaptığımız işlemler için genellikle yeterli değil” sözleriyle belirtiyor. Bunun yerine, tüm yapılarını önce tüpler ve renkli bağlantılardan oluşan bir DNA Erector setinde de