Biyokimya Dehası Frederick Sanger Kimdir?
Kuşkusuz, Nobel Kimya Mükâfatı’nü kazanmak çok ehemmiyetli bir galibiyettir. Ama iki defa kazanmak çok ender olarak görülebilen olağanüstü bir galibiyettir. Frederick Sanger, mükâfatın tarihinde Nobel Mükâfatı’nü iki defa kazanabilmiş dört bireyden biridir ve üstelik aynı kategoride kazanabilmiş iki bireyden öbürü fizikçi John Bardeen biridir. Sanger, ilk Nobel Kimya Mükâfatı’nü 1958 senesinde insülin dizileme çalışmaları sebebiyle […]
Kuşkusuz, Nobel Kimya Mükâfatı’nü kazanmak çok ehemmiyetli bir galibiyettir. Ama iki defa kazanmak çok ender olarak görülebilen olağanüstü bir galibiyettir. Frederick Sanger, mükâfatın tarihinde Nobel Mükâfatı’nü iki defa kazanabilmiş dört bireyden biridir ve üstelik aynı kategoride kazanabilmiş iki bireyden öbürü fizikçi John Bardeen biridir. Sanger, ilk Nobel Kimya Mükâfatı’nü 1958 senesinde insülin dizileme çalışmaları sebebiyle aldı. Sanger’in araştırmalarından evvel, proteinlerin sarihçe belirlenmiş bir şekilden yoksun olduğu varsayılıyordu. Sanger, insülinin kimyasal dizilemesiyle, proteinlerin belirlenmiş bir kompozisyona sahip olduğunu ispatladı. Ve, yirmi iki sene sonra da, geliştirdiği muhtelif yeni dizileme yöntemlerini Deoksirübo Nükleik Asit’ya uygulayarak, 1980 senesinde Paul Berg ve Walter Gilbert ile paylaştığı ikinci Nobel Kimya Mükâfatı’nü de kazandı. Nükleik asitlerdeki baz dizilimi, Deoksirübo Nükleik Asit molekülündeki timin T, adenin A, sitozin C ve guaninin G fiziksel kumpasını tanımladı ve Frederick Sanger’in bu bulguyu, insan genomunun dizilemesinin gerçekleştirilmesini imkânlı kıldı.
İngiliz biyokimyacı Frederick Sanger, 13 Ağustos 1918’de, Rendcombe, Gloucestershire’da doğdu ve 19 Kasım 2013’te, Cambridge’de can verdi. Sanger, bir tıp pratisyeni olan Frederick Sanger’in ve varlıklı bir pamuk üreticisinin kızı olan Cicely Crewsdon Sanger’in ortanca çocuğuydu. Ailesi, ısrarla babasının izinden gitmesini ve tıp hekimi olmasını istiyordu. Uzun süre düşündükten sonra bir bilim insanı olmaya karar veren Sanger, 1936’da Cambridge’deki St. John’s College’e girdi. Evvel kimya ve fizik üzerine yoğunlaştı, ancak ufak yaşlarında çok önemsemediği matematik ve fizikte bilgi birikimi eksikliği sebebiyle zorlanınca, fizyoloji ve biyokimya alanlarına yöneldi. Öğreniminin ikinci senesinde hem annesini hem de babasını kanserden kaybetti. Hristiyanlığın kueykır quaker mezhebinin etkisinde yetişmiş olduğundan, inancı sebebiyle savaşa karşı ve vicdani redçi olan Sanger,1940 senesinde, Cambridge’in Savaşa Karşı Bilim İnsanları Grubu’nda tanıştığı Joan Howe ile evlendi ve çiftin Robin, Peter ve Sally Joan isimlerinde üç çocukları oldu. İkinci Dünya Savaşı sırasında da Cambridge’de biyokimyacı Albert Neuberger’le lisin metabolizması üzerinde çalışan Sanger, 1943 senesinde doktorasını bitirdi.
İnsülin Dizileme Araştırmaları
Savaş sebebiyle, biyokimyacı Albert C. Chibnall ve protein araştırmaları grubu, Londra’daki yerinden Imperial College of Science, Technology and Medicine Cambridge’deki biyokimya kısmının daha güvenli olan etrafına taşınmıştı. Protein analistleri arasında münazara konusu olan iki değişik yaklaşım vardı. Birinci yaklaşıma göre, proteinler, kimyasal incelemelerle basitçe analiz etilemeyecek çok karışık karışımlardı. Chibnall, belli bir proteini başlıbaşına bir kimyasal bileşik olarak kabul eden öbür yaklaşımı destekliyordu. Frederick Sanger gruba katıldığında, Chibnall insülin üzerindeki çalışmalarını sürdürüyordu. Chibnall’ın önerisi ile, Sanger, serbest – amino insülin gruplarını belirlemek ve ölçmek için çalışmaya başladı.
Frederick Sanger, amino gruplarının sarı renkli türevlerini üretmek emeliyle dinitrofluorobenzen kullanan bir yöntem geliştirdi. Yeni bir ayırma metodu ile ilgili olarak kromatograf hakkındaki bilgiler henüz yayınlanmıştı ve Sanger, kariyerinde büyük etkisi olan, proteinin hidroliz mahsullerini ayırmada bu yeni tekniğin faydasını hemen fark etmişti. İnsülinin, fenilalanin ve glisin olmak üzere iki tip zincirden oluştuğunu ileri süren, iki terminal amino grubunu belirledi. Öğrencisi Rodney Porter ile beraber, bir hayli proteinin amino terminal gruplarını araştırmak için bu yeni yöntemi kullandılar. Rodney Porter daha sonra antikorların kimyasal yapısını tanımlamadaki çalışmaları için 1972 Nobel Fizyoloji veya Tıp Mükâfatı’nü kazandı.
İnsülin zincirlerinin disülfür bağları ile bir arada yakalandığı varsayımı ile, Frederick Sanger zincirleri oksitledi ve iki fraksiyona ayırdı. Bir fraksiyonun amino ucunda fenilalanin; öbür fraksiyonunkinde ise glisin vardı. Bütün asit hidrolizi, insülini amino asit bileşenlerine indirgerken, kısmi asit hidrolizi, değişik amino asitlerle insülin peptidlerini oluşturuyordu. Sanger, o gnamlarda tanıtılan başka bir teknik olan kağıt kromatografisi ile, her zincirin amino terminal peptidlerini dizileyebildi ve bu çalışması, ilk defa bir proteinin belli bir noktada spesifik bir diziye sahip olduğunu gösterdi. Frederick Sanger ve Avusturyalı biyokimyacı Hans Tuppy, kısmi asit hidrolizinin ve enzimatik hidrolizin bir kombinasyonunu kullanarak, insülinin fenilalanin zincirindeki amino asitlerin bütün dizisini tanımladılar. Sanger, ayrıca Avustralyalı biyokimyacı E.O.P. Thompson ile beraber sürdürdüğü öbür bir çalışmayla da glisin zincirinin dizisini de tanımladı.
Şimdi sadece iki problem kalmıştı: Amid gruplarının dağılımı ve disülfür bağlarının yeri. 1954 senesinde bu iki sorunun da cevaplarını bulan Frederick Sanger, insülinin yapısını da tamamen çözmüş oldu. Bu çalışmasıyla, bir proteini mısralayan ilk bilim insanı olarak 1958 Nobel Kimya Mükâfatı’nü aldı. Sanger ve çalışma dostları, insülin ile ilgili araştırmalarına devam ederek öbür bir hayli cinsin dizilemelerinin sonuçlarıyla karşılaştırdılar. Yeni geliştirilmiş olan radyoaktif işaretleme tekniklerini kullanan Sanger, muhtelif enzimlerin faal merkezlerinin amino asit sekanslarını ortaya koydu. Bu çalışmalarından birini Arjantin doğumlu immünolog César Milstein isimli öğrencisiyle yaptı. Milstein, monoklonal antikorların imal ilkesini buluşuyla 1984 Nobel Fizyoloji veya Tıp Mükâfatı’nü kazandı.
RNA Dizileme Çalışmaları
1962 senesinde, Tıbbi Araştırma Konseyi Cambridge’de yeni bir moleküler biyoloji laboratuvarı açtı. Avusturyalı biyokimyacı Max Perutz, İngiliz biyokimyacı John Kendrew ve İngiliz biyofizikçi Francis Crick bu yeni laboratuvarda çalışmaya başladılar. Frederick Sanger de, protein kısmının başına getirildi. 1962 seneyi laboratuvarın dünya çapında tanındığı bir sene oldu. Perutz ve Kendrew 1962 Nobel Kimya Mükâfatı’nü paylaşırken, Francis Crick, Deoksirübo Nükleik Asit’nın bulgusuyla, Amerikalı genetikçi James D. Watson ve Yeni Zelandalı biyofizikçi Maurice Wilkins’le beraber 1962 Nobel Fizyoloji veya Tıp Mükâfatı’nü paylaştı.
Sanger’in yeni laboratuvarda yaptığı nükleik asit çalışmaları, ribonükleik asit RNA konusundaki araştırmalara yöneldi. RNA molekülleri proteinlerden çok daha büyüktü, bu sebeple de teknik geliştirmeler için yeterli ufaklıkta moleküller elde etmek güçtü. Amerikalı biyokimyacı Robert W. Holley ve çalışma dostları, alanin – transfer RNA’sının dizilemesini gerçekleştirirken Sanger’in insülin için kullandığı kısmi hidroliz yöntemlerinden faydalanmışlardı. Öbür RNA tiplerinden değişik olarak, transfer RNA’larının çok sayıda basmakalıp dışı nükleotidi olması, ancak kısmi hidroliz metodunun sadece dört tip nükleotid kapsayan öbür RNA molekülleriyle iyi sonuç vermemesi sebebiyle yeni bir stratejiye lüzum dinlenmekteydi.
Frederick Sanger’in laboratuvarının emeli, bir mesajcı – RNA dizilemesini gerçekleştirmek ve genetik kodu tanımlamak, böylece nükleotid gruplarının amino asitleri nasıl kodladıkları hakkındaki bulmacayı çözmekti. Sanger, İngiliz biyokimyacılar George G. Brownlee ve Bart G. Barrell ile beraber, RNA’nın sekanslanması için iki ebatlı bir elektroforez yöntemi geliştirdi. Dizileme metotları kullanılmaya başlandığında, başka analistler, özellikle de Amerikalı biyokimyacı Marshall Nirenberg ve Hindistanlı biyokimyacı Har Gobind Khorana, in vitro protein sentez tekniklerini kullanarak kodu kırmışlardı. Sanger’in takımının RNA dizisi çalışması, bu genetik kodu doğruladı.
Deoksirübo Nükleik Asit Dizileme Çalışmaları
Sanger, 1970’li senelerin başında, deoksiribonükleik asitle Deoksirübo Nükleik Asit ilgilenmeye başladı. Deoksirübo Nükleik Asit dizisi çalışmaları, Deoksirübo Nükleik Asit moleküllerinin muazzam büyüklüğü ve Deoksirübo Nükleik Asit’yı ufak parçalara dağılmak için uygun enzimlerin bulunmaması sebebiyle gelişmemişti. Araştırmalarını, İsviçreli kimyager Charles Weissmann’ın bakteriyofaj RNA’sıyla ilgili çalışmalarında kullandığı enzim kopyalama yaklaşımı üzerine temellendiren Sanger, Deoksirübo Nükleik Asit dizilemesini tek şeritli şablonlardan faydalanarak yapmak için Deoksirübo Nükleik Asit polimeraz enzimini kullanmaya başladı ve yeni Deoksirübo Nükleik Asit’ya radyoaktif nükleotidler ilave etti.
Deoksirübo Nükleik Asit polimeraz, şablon zincirinin belli bir bölgesine bağlanabilen bir primer gerektirmekteydi. Galibiyet, uygun primerlerin eksikliği ile sınırlıydı. Sanger ve İngiliz meslektaşı Alan R. Coulson, süratli bir Deoksirübo Nükleik Asit dizilemesi için “artı ve eksi” yöntemini geliştirdiler. Yöntem, kısmi hidrolizden faydalanmadığı için eskiki yöntemlerden radikal bir değişiklik gösteriyordu. Poliakrilamid jel elektroforezi kullanılarak ufalayabilen muhtelif uzunluklarda bir dizi Deoksirübo Nükleik Asit molekülü üretmekteydi. Şablonlardan, hem artı hem de eksi sistemler için, çok kısadan çok uzuna, Deoksirübo Nükleik Asit random molekül kümeleri oluşturmak için sentezlendi. Hem artı hem de eksi setleri aynı jelde ufaladığında, sekans biri öbürünü onaylayacak şekilde her iki sistemden de okunabiliyordu. 1977 senesinde, Frederick Sanger’in çalışma grubu, dizilemesi analiz etilen ilk bütün genom olan bakteriyofaj Deoksirübo Nükleik Asit dizisi için bu sistemi kullandı.
Artı ve eksi sistemlerle ilgili çözülememiş bir kaç problem kalmıştı. Frederick Sanger, Alan R. Coulson ve İngiliz meslektaşı Steve Nicklen, dideoksi nükleotid zincir – sonlandırıcı inhibitörleri kullanan bir prosedür geliştirdiler. Deoksirübo Nükleik Asit, gelişen Deoksirübo Nükleik Asit zincirine bir inhibitör molekül ilave edilene kadar sentezlendi. Her biri değişik bir inhibitöre sahip dört reaksiyon kullanılarak, her nükleotidde Deoksirübo Nükleik Asit fragmanları oluşturuldu. Misalin, A reaksiyonunda, A adenin ile biten bir dizi Deoksirübo Nükleik Asit fragmanı üretildi. C reaksiyonunda, C sitozin ile biten bir dizi Deoksirübo Nükleik Asit fragmanı üretildi, G guanin ve T timin için de aynı harekât gerçekleştirildi. Dört reaksiyon bir jel üzerinde yan yana ufaladığında ve bir otoradyografi elde edildiğinde, dizileme film üzerinde okunabiliyordu. Frederick Sanger ve çalışma dostları, insan mitokondriyal Deoksirübo Nükleik Asit’sını dizilemek için de dideoksi yöntemini kullandılar. Böylece, Frederick Sanger Deoksirübo Nükleik Asit dizileme metotlarına yaptığı büyük katkılardan dolayı 1980 Nobel Kimya Mükâfatı’nü de kazandı ve 1983’te emekli oldu. Wellcome Trust ve Tıbbi Araştırma Konseyi, bu büyük bilim insanının iftiharına “Sanger Merkezi”ni şimdi Sanger Enstitüsü kurdu. Merkez, Sanger’in de katılımıyla, 4 Ekim 1993 tarihinde takribî elli bilim insanından oluşan bir kadroyla açıldı ve insan genomu araştırmalarında lider bir rol üstlendi. Gşanımızda, Sanger Enstitüsü 900’den fazla tahlilcinin beraber çalıştığı dünyanın en büyük genomik araştırma merkezlerinden biridir.