Biyokimya Dahisi Frederick Sanger Kimdir?
Şüphesiz, Nobel Kimya Mükâfatı’nü kazanmak çok ehemmiyetli bir zaferdir. Ama iki defa kazanmak çok ender olarak görülebilen inanılmaz bir zaferdir. Frederick Sanger, mükâfatın tarihinde Nobel Mükâfatı’nü iki defa kazanabilmiş dört bireyden biridir ve üstelik aynı kategoride kazanabilmiş iki bireyden değişiği fizikçi John Bardeen biridir. Sanger, ilk Nobel Kimya Mükâfatı’nü 1958 senesinde insülin dizileme çalışmaları sebebiyle […]
Şüphesiz, Nobel Kimya Mükâfatı’nü kazanmak çok ehemmiyetli bir zaferdir. Ama iki defa kazanmak çok ender olarak görülebilen inanılmaz bir zaferdir. Frederick Sanger, mükâfatın tarihinde Nobel Mükâfatı’nü iki defa kazanabilmiş dört bireyden biridir ve üstelik aynı kategoride kazanabilmiş iki bireyden değişiği 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 zannediliyordu. Sanger, insülinin kimyevi dizilemesiyle, proteinlerin belirlenmiş bir kompozisyona sahip olduğunu ispatladı. Ve, yirmi iki sene sonra da, geliştirdiği muhtelif yeni dizileme usullerini 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 reelleştirilmesini 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 vakit 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 önem vermediği matematik ve fizikte bilgi birikimi beceriksizliği sebebiyle zorlanınca, fizyoloji ve biyokimya alanlarına yöneldi. Öğreniminin ikinci senesinde hem annesini hem de babasını kanserden kaybetti. Hristiyanlığın kueykır quaker mezhebinin tesirinde 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 tehlikesiz olan civarına taşınmıştı. Protein analistleri arasında kavga mevzusu olan iki değişik yaklaşım vardı. Birinci yaklaşıma göre, proteinler, kimyevi incelemelerle basitçe analiz etilemeyecek çok karışık karışımlardı. Chibnall, emin bir proteini başlıbaşına bir kimyevi bileşik olarak kabul eden öteki yaklaşımı destekliyordu. Frederick Sanger gruba katıldığında, Chibnall insülin üzerindeki çalışmalarını sürdürüyordu. Chibnall’ın teklifi ile, Sanger, hür – amino insülin gruplarını belirlemek ve ölçmek için çalışmaya başladı.
Frederick Sanger, amino gruplarının sarı renkli türevlerini üretmek emeliyle dinitrofluorobenzen kullanan bir usul geliştirdi. Yeni bir ayırma metodu ile alakalı olarak kromatograf hakkındaki bilgiler henüz yayınlanmıştı ve Sanger, kariyerinde büyük tesiri 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 grubuna belirledi. Talebesi Rodney Porter ile beraber, bir hayli proteinin amino terminal gruplarını araştırmak için bu yeni usulü kullandılar. Rodney Porter daha sonra antikorların kimyevi yapısını tanımlamadaki çalışmaları için 1972 Nobel Fizyoloji veya Tıp Mükâfatı’nü kazandı.
İnsülin zincirlerinin disülfür bağları ile bir arada yakalandığı hipotezi ile, Frederick Sanger zincirleri oksitledi ve iki fraksiyona ayırdı. Bir fraksiyonun amino ucunda fenilalanin; öteki fraksiyonunkinde ise glisin vardı. Bütün asit hidrolizi, insülini amino asit bileşenlerine indirgerken, kısmi asit hidrolizi, değişik amino asitlerle insülin peptidlerini oluşturuyordu. Sanger, o günlerde tanıtılan başka bir teknik olan kağıt kromatografisi ile, her zincirin amino terminal peptidlerini dizileyebildi ve bu çalışması, ilk defa bir proteinin emin 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 öteki bir çalışmayla da glisin zincirinin dizisini de tanımladı.
Şimdi sadece iki problem kalmıştı: Amid gruplarının dağılımı ve disülfür bağlarının yeri. 1954 senesinde bu iki sualin de 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 alakalı araştırmalarına devam ederek öteki bir hayli cinsin dizilemelerinin neticeleriyle karşılaştırdılar. Yeni geliştirilmiş olan radyoaktif işaretleme tekniklerini kullanan Sanger, muhtelif enzimlerin etkin merkezlerinin amino asit sekanslarını ortaya koydu. Bu çalışmalarından birini Arjantin doğumlu immünolog César Milstein isimli talebesiyle yaptı. Milstein, monoklonal antikorların imal prensibini 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 mevzusundaki araştırmalara yöneldi. RNA molekülleri proteinlerden çok daha büyüktü, bu sebeple de teknik geliştirmeler için yeterli miniklikte moleküller elde etmek güçtü. Amerikalı biyokimyacı Robert W. Holley ve çalışma dostları, alanin – transfer RNA’sının dizilemesine reelleştirirken Sanger’in insülin için kullandığı kısmi hidroliz yöntemlerinden faydalanmışlardı. Öteki RNA tiplerinden değişik olarak, transfer RNA’larının çok rakamda klasik dışı nükleotidi olması, ancak kısmi hidroliz metodunun sadece dört tip nükleotid kapsayan öteki RNA molekülleriyle iyi netice vermemesi sebebiyle yeni bir taktiğe gereksinim dinlenmekteydi.
Frederick Sanger’in laboratuvarının emeli, bir iletici – RNA dizilemesini hakikatleştirmek 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 usulü geliştirdi. Dizileme metotları kullanılmaya başlandığında, başka tahlilciler, özellikle de Amerikalı biyokimyacı Marshall Nirenberg ve Hindistanlı biyokimyacı Har Gobind Khorana, in vitro protein birleşim 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 büyümemişti. Araştırmalarını, İsviçreli kimyager Charles Weissmann’ın bakteriyofaj RNA’sıyla alakalı 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 emin bir bölgesine bağlanabilen bir primer gerektirmekteydi. Zafer, uygun primerlerin beceriksizliği ile hudutluydu. Sanger ve İngiliz meslektaşı Alan R. Coulson, süratli bir Deoksirübo Nükleik Asit dizilemesi için “artı ve eksi” usulünü geliştirdiler. Usul, kısmi hidrolizden faydalanmadığı için eskiki usullerden radikal bir değişiklik gösteriyordu. Poliakrilamid jel elektroforezi kullanılarak dağılabilen 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 birleşimlendi. Hem artı hem de eksi setleri aynı jelde böldüğünde, 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 alakalı 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 birleşimlendi. Her biri değişik bir inhibitöre sahip dört tepkin kullanılarak, her nükleotidde Deoksirübo Nükleik Asit fragmanları oluşturuldu. Misalin, A tepkininde, A adenin ile biten bir dizi Deoksirübo Nükleik Asit fragmanı üretildi. C tepkininde, C sitozin ile biten bir dizi Deoksirübo Nükleik Asit fragmanı üretildi, G guanin ve T timin için de aynı harekât hakikatleştirildi. Dört tepkin bir jel üzerinde yan yana böldüğünde ve bir otoradyografi elde edildiğinde, dizileme film üzerinde okunabiliyordu. Frederick Sanger ve çalışma dostları, insan mitokondriyal Deoksirübo Nükleik Asit’sını dizilemek için de dideoksi usulünü 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 şerefine “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 analistin beraber çalıştığı dünyanın en büyük genomik araştırma merkezlerinden biridir.