Geleceğin Işığı: Optogenetik
Edanur Gürbüz – Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi Tıp Fakültesi
Optogenetik, genetik olarak ışığa duyarlı araçlardan faydalanılarak canlı doku ve hücrelerde hücresel aktiviteleri izlemek için kullanılan ve yeni gelişmekte olan bir bilim dalıdır.
Sinirbilim, psikiyatri, kalp fizyolojisi gibi alanlarda yeni stratejilerin gelişimine katkı sağlaması nedeni ile kendisine ”geleceğin ışığı” da diyebiliriz. Optogenetik günümüzde özellikle beyindeki sinir devrelerini kontrol etmede kullanılan bir metot olsa da gelecekte birçok hastalığın tedavisinde kullanılacağı umut edilmektedir. Bu yazıda bu bilim dalının gelişiminden, mekanizmalarından, hastalıklarla ilişkisinden ve son olarak geleceğinden söz edilecektir.
Optogenetiğin Gelişimi
14 Nisan 2003 günü İnsan Genom Projesi’nin tamamlanması ile gen kodlayan bölgelerin tümü açığa çıkarılmış oldu. Bundan sonra ise bilim insanları, bu açığa çıkarılan genler üzerinde kontrol kurulabilir mi, sorusuna cevap bulmak için deneyler yapmaya başladılar.
2004 yılında Standford Üniversitesi’nden bir ekip, yaptığı çalışma ile ”channelrhodopsin-2” adlı geni memeli nöronlarına aktararak nöronu, ışığa yanıt veren bir hale getirmiştir. Bu gen, ışığa cevap olarak nöronu güvenli bir şekilde açıp kapayabilmektedir. Bunu elektrik devresinde kullandığımız anahtara benzetebiliriz.
2008’de yapılan başka bir çalışmada ise, ”Volvox carteri” adlı bir alg türündeki channelrhodopsin geninin sarı ışığa yanıt verdiği keşfedilmiştir. Daha önce üzerinde çalışılan opsin genlerinin ise mavi ışığa yanıt verdiği görülmüştür. Bu durumda sarı ışığa yanıt veren gen ve diğer channelrhodopsin genleri kullanılarak karışık bir popülasyonun eş zamanlı olarak kontrol edilebileceği gösterilmiştir. Yani sarı ışık verilerek bir tip hücre, mavi ışık verilerek diğer tip hücreler kontrol edilebilecektir.
Bu çalışmalar, optogenetiğin insan genleri üzerinde de kullanılabileceği konusunda yol gösterici ve umut verici olmuştur. Peki bu optogenetik uygulamaları nasıl yapılır? Biraz da ona bakalım.
Optogenetik ve transfeksiyonTransfeksiyon, ökaryotik hücre içindeki serbest DNA’ya yabancı DNA eklenmesidir¹. Optogenetikte bu teknik, tespit edilen bir opsin proteinine ait genin seçilen bir dokuya aktarılmasında kullanılır. Çeşitli uygulamalar içeren tekniğin aşamaları şu şekildedir:
a) İlk olarak hedeflenen gen belirlenmeli ve izole edilmelidir. İzole edilebilen genin mRNA dizisini okuyabilmesi önemlidir. Bu diziyi kodlamış olabilecek DNA dizisi çıkartılıp PCR(polimeraz zincir reaksiyonu) işlemi ile çoğaltılır.
b) Genin vektöre (gen klonlanmasındaki aracı molekül,taşıyıcı) aktarılma işlemi için elektroporasyon tekniği ( hücreleri veya dokuları kısa süreli yüksek güçte bir elektriksel alan uygulayarak, hücre zarında DNA’nın geçebileceği nanometre boyutunda geçici gözenekler açılması mantığına dayanan gen aktarımı işlemi ² ) kullanılır ve izole edilen genin hücre kültürü ortamına ekimi yapılır. Hücre kültür ortamında bulunan hücrelerin zarlarında oluşan geçici zarlar sayesinde genetik materyalin hücre içine alınması gerçekleşir. Gen, vektöre elektroporasyon işlemi ile aktarılır.
Resim-1* : 6 aşamada optogenetik
c) Vektör, bir canlıya (burada kobay fare) enjekte edilerek hedef bölgenin transfeksiyonu sağlanır.
d) Canlıya fiber optik kablo ve elektrotlar takılır.
e) İyon kanalına göre ışık ile aydınlatma yapılır. Örnek olarak Chlamydomonas reinhardtii’de mavi ışığa duyarlı Na+ iyon kanalı olduğu için ona mavi ışıkla aydınlatma yapılarak Na+ kanalları uyarılır, hücreye Na+ girer, depolarizasyon sağlanarak aksiyon potansiyeli oluşturulur.
f) Son olarak canlıdaki elektrofizyolojik değişimler ölçülür ve canlının hareket değişiklikleri gözlenir.
Fototetkikler
Hücrenin aktifleştirilmesini, inhibe edilmesini ya da hücre içi sinyal oluşturmasını sağlayan ‘parça’lardır. Birkaç örnek verecek olursak, bakteriyorodopsin ,yeşil alglerden keşfedilen ışığa duyarlı ilk proteindir. Halorodopsin, sarı ışığa duyalıdır ve hücrenin inhibe edilmesini sağlar. Kanalrodopsin ,yeşil yosunlarda keşfedilen bir iyon kanalıdır. Optik araçlar ise hücre içi sinyal mekanizmalarının kontrolü ile alakalıdır.
Optogenetik ve beyin fonksiyonu ilişkisi
Optogenetik, beyin fonksiyonunun tüm seviyelerinde uygulanabilen bir metottur. Çeşitli uygulamalar beyin fonksiyon aktivitesini hem okumak hem de harekete geçirmek için optogenetik problar (algılayıcılar) kullanır. Özgüllük, prob ekspresyonunu (ifadesini) ilgili hücresel bölmelere veya ağ elemanlarına hedefleyerek veya bu yapılara ışık hedefleyerek elde edilebilir. Optogenetiği farklı sinir sistemi fonksiyonu seviyelerinde uygulayabilmemiz, bu seviyeler arasında nedensel bağlantılar kurmamızda çok yardımcı olmaktadır.
Resim-2 : Işık rengine göre aktive ve inhibe edilen hedef sinir hücreleri
Optogenetik-hastalık ilişkisi ve optogenetiğin faydaları³
Optogenetik uygulamaları, zamansal hassasiyeti ile nörokimyasal çalışmaların izlenmesinde ve kontrol edilmesinde çok büyük bir olanak sağlamıştır. Lorincz ve Adamantidis’in 2017’deki duyusal bilgi işleme üzerindeki çalışmaları sonucunda beyin hücrelerindeki monaminerjik sistemlerin düzenleyici etkileri aydınlatılmış ve kaydedilen hücrelerin nörokimyasal kimlikleri belirlenmiştir.
Agus ve Janovjak’ın 2017’deki çalışmaları ise kanser, metabolik enfeksiyöz, hematolojik veya sinir sistemi hastalıklarının tanımlanmasını, tedavi edilmesini ve hastalıkla ilgili hedeflerin çözülmesine katkı sağlamıştır. Hedef tanımlamada tedavi edici yaklaşımlar ile birlikte ilaç keşfinde de optogenetiğin önemli bir yeri olduğu görülmüştür.
2013 yılında başlayan çalışmalarla görme tedavisinde de kullanılmaya başlanan optogenetik, nöronları uyarmada kullanılarak Alzheimer’ın neden olduğu öğrenme ve hafıza kaybını kurtarabilmektedir. Kardiyolojide ise ışık temelli defibrilasyon(elektroşok cihazı) metotlarına odaklanılmıştır.
Son yıllarda optogenetik uygulamalar, hafıza çalışmalarına da dahil edilmiştir. Yapılan araştırmalar, beyinde bilgi yolları, algı, hayal, düşünme, hatırlama vb. fonksiyonlara katkısının yanı sıra hafızanın gelişimine de büyük katkı sağlamıştır.
Gelecekte optogenetik
Optogenetik, gerek hassas ve hızlı yöntemleri gerek de birçok alana uygulanabilirliği sayesinde çok önemli bir bilim dalıdır. Yapılan birçok çalışmaya rağmen henüz emekleme aşamasında olsa da yıllar geçtikçe daha da gelişecek ve genlerin kontrolü, insan beyni haritalandırılması, şu anda tedavisi mümkün olmayan hastalıkların tedavisi gibi konularda bize ışık tutacak, geleceğin bilimi olacaktır.
1979’da Scientific America makalesinde Nobel ödüllü Francis Crick, beyindeki bir tipteki tüm hücreleri kontrol ederken diğer tipteki hücreleri neredeyse hiç değiştirmeden bırakmanın sinirbilim için gerçek bir zorluk olduğunu söylemiştir. Optogenetiğin bu zorluğu aşmada bize büyük fayda sağlayacağı düşünülmektedir.
Tüm bu faydalarının yanı sıra gelecekte zihin kontrolü, yapay anı yerleştirme, anı silme gibi etik dışı olaylarda da rol oynayacağı düşünülen optogenetik, bilimde etiğe daha büyük önem verilmesine neden olacaktır. Gerçekten de böyle bir teknoloji eğer denetimli ve etik ilkeler göz önüne alınmadan uygulanırsa dünya için çok büyük sorunlar yaratacaktır. Öte yandan ürettiği bombalarla ortalığa dehşet saçan Theodore John Kaczynski’nin manifestosunda dediği gibi: Teknolojinin kötü taraflarını bir kenara bırakıp sadece iyi taraflarını alamazsınız. Bilimde yapılan her çalışma aslında çift yönlüdür. Biz bu gelişmeleri hayat kalitemizi artırmak için de kullanabiliriz, hayatımızı bir distopyaya dönüştürmek için de. Bunun seçimi ise geleceğe ve kendimize nasıl baktığımızda saklı olacaktır.
Notlar
¹ https://evrimagaci.org/transfeksiyon-6014
²https://tr.wikipedia.org/wiki/Elektroporasyon#:~:text=Elektroporasyon%20ya%20da%20Elektropermabilizasyon%2C%20h%C3%BCcreleri,mant%C4%B1%C4%9F%C4%B1na%20dayanan%20gen%20aktar%C4%B1m%C4%B1%20i%C5%9Flemi.
³ Bu bölümde Kaynak-1’den birebir kullandığım cümleler bulunmaktadır.
* Resim-1 için olabildiği kadar yüksek kalitede resim kullanmaya çalıştım ama 300 dpi kalitesinde bir resim bulamadım. Optogenetik aşamalarını en güzel anlatan yüksek kaliteli resim bu olduğu için bu resmi seçtim.
Kaynakça:
Resim-1 : 4 Mart 2021 tarihinde https://www.biomedya.com/optogenetik adresinden ulaşılmıştır.
Resim-2 : 3 Mart 2021 tarihinde https://www.nrronline.org/viewimage.asp?img=NeuralRegenRes_2017_12_8_1197_213532_f1.jpg adresinden erişilmiştir.
Resim-3 : 7 Mart 20121 tarihinde: Kapak Resmi
https://www.psychologytoday.com/us/blog/think-act-be/201810/scan-measure-your-brain-age-buyer-beware adresinden ulaşılmıştır.
Kaynak-1 : (Seda Beyaz, Abdullah Aslan), Fırat Üniversitesi, Fen Fakültesi, Biyoloji Bölümü Moleküler Biyoloji ve Genetik Programı (2018, 6 Ağustos). Optogenetik. 28 Şubat 2021 tarihinde https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/541885 adresinden erişildi.
Kaynak-2 : Fadime Öztoprak, Genom Bilimci. (16 Kasım 2014). Zihinle Kontrol Edilen Genler! . 02 Mart 2021 tarihinde https://evrimagaci.org/zihinle-kontrol-edilen-genler-2989 adresinden erişildi.
Kaynak-3 : Michael Häusser, S.(October,2014). ”Optogenetics: the age of light”. Nature Methods. Vol.11 No.10
Kaynak-4 : Karl Deisseroth, Standford Üniversitesi Biyomühendislik ve Psikiyatri Profesörü. (Nisan 29, 2016). Optogenetics . 04 Mart 2021 tarihinde https://www.britannica.com/science/optogenetics adresinden erişildi.
Kaynak-5 : Michael Häusser, S.(October,2014). ”Optogenetics: the age of light”. Nature Methods. Vol.11 No.10
