Goethe Üniversitesi’ndeki bir araştırma ekibi, yapay hücre organelleri yaratmayı ve bunları kendi tasarlanmış biyokimyasal reaksiyonları için kullanmayı başardı.
Daha yüksek organizmaların hücreleri, metabolik süreçleri birbirinden ayırmak için hücre organellerini kullanır. Hücrenin enerji santralleri olan mitokondride hücre solunumu bu şekilde gerçekleşir. Biyoteknologlar, bir süredir doğal hücre organellerini diğer işlemler için “yeniden programlamaya” çalışmaktalar.
Moleküler Biyolojik Bilimler Enstitüsü’nden Dr. Joanna Tripp, canlı maya hücrelerinde yapay organel üretmek için yeni bir yöntem geliştirdi. Bu amaçla, çekirdeği çevreleyen endoplazmik retikulumda (ER) dallanmış tüpler ve kabarcıklar sistemini kullandı. Hücreler, maddeleri hücre zarına taşımak için bu zar sisteminden sürekli olarak kabarcıklar veya veziküller bağlar. Bitkilerde, bu kesecikler aynı zamanda proteinlerin tohumlarda depolanması için de kullanılabilir. Bu depolama proteinleri, onları ER’ye yönlendiren ve saklama proteinlerinin burada kesecikte “paketlenmesini” sağlayan bir “adres etiketi” – Zera dizisi – ile donatılmıştır. Joanna Tripp, maya hücrelerinde hedeflenen vezikülleri üretmek ve biyokimyasal metabolik yolun çeşitli enzimlerini tanıtmak için “adres etiketi” Zera’yı kullandı.
Bu gelişme, biyoteknik açıdan bir kilometre taşını temsil etmekte. Sentetik biyolojinin “evcil hayvanları” olan maya hücreleri, yalnızca çok sayıda yararlı doğal madde üretmekle kalmaz, aynı zamanda biyoyakıtlar veya sıtma ilacı gibi büyük ölçekte endüstriyel olarak ilginç moleküller üretmek için genetik olarak değiştirilebilir.
Bununla birlikte, istenen ürünlere ek olarak, genellikle istenmeyen yan ürünler veya toksik ara maddeler de ortaya çıkar. Ayrıca, hücre içindeki sızıntılar nedeniyle ürün kaybolabilir veya reaksiyonlar çok yavaş olabilir. Sentetik hücre organelleri, yalnızca istenen enzimlerin (“adres etiketleri” ile) birbirleriyle karşılaşarak, hücrenin geri kalanını bozmadan veya kendi kendilerine bozulmadan daha etkili bir şekilde çalışabilmeleri için çareler sunar.
Joanna Tripp: “Üç aşamalı, sentetik bir metabolik yolu veziküllere sokmak için Zera dizisini kullandık. Böylece, tam olarak istediğimiz şeyi içeren bir reaksiyon alanı yarattık. Veziküllerdeki metabolik yolun, hücrenin geri kalanından izole olarak işlediğini göstermeyi başardık” dedi.
Biyoteknoloji uzmanı, bu işlem için endüstriyel olarak ilgili bir molekül seçti: endüstriyel olarak adipik aside daha da işlenen mukonik asit. Bu, naylon ve diğer sentetik malzemeler için bir ara maddedir. Mukonik asit şu anda ham yağdan kazanılmaktadır. Maya hücrelerini kullanan gelecekteki büyük ölçekli bir üretim, önemli ölçüde daha çevre dostu ve sürdürülebilir olacaktır. Ara protokatekuik asidin bir kısmı, kesecik zarı gözenekli olduğu için kaybolsa da, Joanna Tripp bunu çözülebilir bir problem olarak gördüğünü ifade etmekte.
Aşağı Ökaryotlar Fizyoloji ve Genetik Bölümü Başkanı Profesör Eckhard Boles: “Bu çalışma, sentetik biyolojinin devrim niteliğindeki yeni bir yöntemidir. Yeni yapay organellerle, artık hücrede yeniden çeşitli süreçler üretme seçeneğine sahibiz. Yöntem, maya hücreleriyle sınırlı değildir, ancak genel olarak ökaryotik hücreler için kullanılabilir. Ayrıca diğer konulara da uygulanabilir, örn. daha önce canlı hücrelerde gerçekleşemeyen reaksiyonlar için, çünkü hücre metabolik sürecini bozacak enzimlere ihtiyaç duyabilirler” diye ekledi.
Makale: Artificial ER-Derived Vesicles as Synthetic Organelles for in Vivo Compartmentalization of Biochemical Pathways. ACS Synthetic Biology, 2020; DOI: 10.1021/acssynbio.0c00241