Bulut Atlası — Sonmi-451

Bir gün kendi klonunuzla karşılaşırsanız?

Bir gün kendi klonunuzla otobüste karşılaştığınızı düşünün, ne yaparsınız? Bu soru üzerine düşünmeye başlamadan önce birkaç konudan bahsetmek istiyorum. İlk başta iki konu arasında belki çok bağlantı kuramayabilirsiniz. Ancak bu soruyu tekrar sorduğumda farklı düşüneceksiniz.

Maya, Saccharomyces cerevisiae, neredeyse insanlık tarihinden beri hayatımızda yer etmiş, insanlar gibi ökaryot, ancak insanlardan farklı olarak tek hücreli bir canlıdır. Maya temel olarak ekmeğin pofuduk olmasını, biranın köpüklü olmasını ve şarabın lezzetini etkiler ve fermantasyonla alkol üretir. Tek bir hücreden tomurcuklanarak ürer. Bu hücrenin içinde bizim hücrelerimize benzer şekilde bir hücre çekirdeği vardır ve içinde de kromozomlar yer alır. Geçtiğimiz yüzyıl içindeyse insanlık tarihindeki önemine yeni bir rol daha eklenmiştir : Model Organizma. Yani deneysel çalışmaları fareler ya da insanlar üzerinde gerçekleştirmeden önce mayada modeller geliştiririz ve bu modelleri daha sonra daha yüksek yapılı taksonlarda uygularız. Buna bir örnek vermek gerekirse; İnsan Genom Projesi en etkileyicilerinden biri olarak ortaya çıkar. İnsan genom projesi yolunda, mayanın genomu 1996 yılında dizilenmiştir.

Peki neden mayanın genomunun 1996 yılında dizilenmesinden bahsediyoruz? İnsan genom projesini takip ettiğimizde, insan genomunun ilk sürümünün de 2001 yılında yayınlandığı gözlemleriz. Bu demek oluyor ki o zamanki teknoloji ile mayadan beş yıl sonra insan genomu da sekanslanmış ve yayınlanmıştır. O yıldan bu güne kadar baktığımızdaysa Steve Jobs dahil binlerce insanın genomu dizilenmiştir.

Peki mayalar ve klonların ne ilişkisi var?

Resimde gördüğünüz araştırma makalesi, 10 Mart 2017'de yani ben bunları yazmadan 9 gün önce yayınlandı. Bu araştırmada, bilim insanlarının hedefi laboratuvarda sentetik insan genomu sentezlemek. Tabi ki bu çalışmaları yapmaya yine model organizmalardan başladılar. Yani mayadan. Makalede sentetik maya genomunun tasarımını anlatıyorlar ve maya genomunu %8 kısalttıklarını ve yüksek oranda modifiye ettiklerini ve bunu nasıl yaptıklarını anlatıyorlar.

Kısaca tekrar çalışmaları sırayla incelersek eğer; 1996'da ilk maya genomu dizilendi, 2001'de insan genomu dizilendi. Ve 2017 yılında ilk sentetik maya genomu oluşturuldu.

Peki ilk sentetik insan genomu ne zaman tasarlanacak?

İçinde bulunduğumuz şu çağ … OM

Aslında yaşam bilimleri alanı sandığımızdan çok daha hızlı bir şekilde gelişiyor ve sürekli olarak geliştirilen yeni yöntem ve teknikler hayatımıza -genelde biz görmeden- dahil oluyor. Hastanede yapılan tıbbi tahlillerden, tükettiğimiz gıdalara kadar hemen her alanda bir -OM etkisi var.

“-om”, İngilizce “-ome”, biyolojik olarak bir yapının tümünü tanımlamada kullanılan bir ek aslında. Yani maya hücresindeki tüm genlerden bahsediyorsanız buna “maya genomu” diyoruz. Ya da insanın tüm genlerinden bahsediyorsanız “insan genomu”. Sadece genler değil, proteinler, lipitler, mikroorganizmalar, transkriptler (mRNA’lar), metabolizma ve pek çok biyolojik materyal için yaygınca kullanılan bir ek.

”-omik”, ingilizce “-omic” ise “-om” eki ile tanımlanan bir bütün ile ilgili yürütülen çalışmalara verilen isim oluyor. Yani maya genomunu araştırıyorsanız maya genomiği ile ilgileniyor oluyorsunuz. Bu ekte yine om eki almış tüm alanlara uygulanabiliyor.

Pek biz ne ara bu çağa geldik?

Biraz genetik ve genomiğin geçmişini hatırlarsak aslında nasıl günümüzdeki noktaya geldiğimizi anlamak mümkün. Genetik, ya da modern genetik, liseden de hatırladığınız gibi Gregor Mendel ve bezelyeleri ile kuruldu. Aslında Mendel hem uzun süre hem de çok yüksek sayıda denemeler sonucunda bezelyeleri hibritleyerek, günümüz modern genetiğin temellerini ortaya çıkardı. Karakterlerin (bezelye için buruşukluk, renk vb.) soylar arasında nasıl aktarıldığı, hangi kuralların geçerli olduğu, mesela annemiz ve babamız sarışınsa biz nasıl sarışın oluyoruz, ya da annemiz ve babamız renkli gözlü değilken; biz nasıl renkli gözlü olabiliyoruz gibi soruların temel cevaplarını Mendel’in çalışmaları ile ortaya çıkardığı kalıtım kurallarında bulabiliyoruz.

Mendel ve çalışmalarının tekrar keşfedilmesinin ardından pek çok kalıtım ve genetik araştırması gerçekleştirildi. Ancak bugün ki omik çağına erişmemizde en önemli kırılım noktalarından diğeri DNA molekülünün kimyasal yapısının ortaya çıkarılmasıydı. Bu sebeple aradaki gelişmeleri hızlı geçip James Watson ve Francis Crick’in neden bu kadar rahat ve keyifli ofislerinde kahve içtiklerinden bahsetmek istiyorum biraz. Resimde gördüğünüz ikili DNA’nın özelliklerini tanımlama yarışında birinci gelen ve bunları Nature’da yayınlamadan önce Eagle’da halka bildiren araştırmacılar.

Çalışmalarında, tenekelerden DNA modeli keserek bunları yap boz gibi birleştirmekten, diğer araştırmacıların ortaya koyduğu bulguları farklı yönlerden değerlendirmeye kadar geniş çerçevede düşünüp, bir model geliştirmişlerdir. Bu süreç içinde kullandıkları önemli materyallerden biri ise 51. fotoğraftır.

Bu fotoğraf, Kristallografi uzmanı olan Rosalind Franklin’in çalışmalarına ait bir fotoğraf olup, DNA’nin o zamanlardaki en net kristal görüntülerinden biridir. Yani DNA modelini oluşturma yarışında aslında bir kadın kahraman da bulunmaktadır. Watson ve Crick, çalışmalarını ilerletirken, Rosalind’le yaptıkları bir görüşmede bu fotoğrafı gördükten sonra modellerini detaylı olarak geliştirebilmiş ve yayınlamışlardır. Konu hakkında günümüzde hala pek çok tartışma devam etmekte olsa da ben o noktalara şimdi fazla değinmeyeceğim. Ancak o yıllarda akademide bir kadın olarak bulunmamanın şimdikinden çok daha zor olmasına rağmen başarılı çalışmaları ile Rosalind Franklinin günümüzde hayatımıza nasıl etki ettiğine dikkat çekmek istiyorum. Aslında kendisi DNA modelinin ortaya çıkarılmasında ve günümüzde içinde bulunduğumuz genomik çağının mimarlarından biri, saygıyla anıyoruz.

DNA’nın moleküler modelinin ortaya çıkarılmasıyla DNA içinde yaşamsal bilginin nasıl kodlandığını artık öğrenmiştik. A(adenin),T(timin),G(guanin),C(Sitozin) harfleri (azotlu bazlar) üçerli kombinasyonlarla çeşitli proteinlerin kaynak kodunu hücrelerimizin içinde saklıyorlardı. Çift yönlü bir zincir olduğunuda yine bu çalışmalarla öğrendik. Bu çalışmalar, günümüze geldiğimizde genom çalışmlarının temelini oluşturdu. Şimdiyse, binlerce canlının genomunu diziledik, yani binlerce canlının “şifresini” çözdük ve yaşamın şifresini çözmeye devam ediyoruz. Yeşil floresan boyayla floresan canlılar geliştirip laboratuvarlarda bu canlılar nasıl çalışıyor inceliyor, Uluslararası Uzay İstasyonunda genom dizileme çalışmaları yapıp, yer çekimsiz ortamda bu çalışmalar nasıl sürdürülüyor araştırmaları yapıyoruz.

A, T, C ve G demişken biraz da genetik bilginin DNA’da nasıl saklandığından bahsedelim ki, aslında ne ile uğraştığımız daha net ortaya çıksın. Aşağıdaki fotoğrafta ise bir çilek ve çilekten elde edilen sümüksü DNA’yı görüyorsunuz. Aslında bu şekilde DNA’yı kolay ve eğlenceli bir şekilde mutfağınızda sizde elde edebilirsiniz. Görüldüğü gibi çift zincirden oluşan DNA, proteinlerle paketlenmiş olarak hücrelerin içinde bulunan kaynak kodlarıdır. Tüm proteinlerimizin nasıl ve ne zaman sentezleneceği; nereye gideceği nasıl işleneceği, nasıl çalışacağı gibi tüm yaşamsal bilgimizi içeriyor. Hücrelerimizin içindeki devasa DNA paketlerine kromozom diyoruz. Bu paketlerden insanlarda 46 tane bulunuyor. Bu 46 paketin iki tanesi ise cinsiyetimizi belirleyen paketler X ve Y paketleri. İnsan genomunun (GRCh38.p7 sürümü) sayılarına biraz göz atalım :

•3,547,762,741 baz çifti(bp) (yani bu kadar çift ATCG …)

•20,441 Protein kodlayan gen

•Tüm genomun ~%1 protein kodluyor.

Hangi çağdayız ? — Multi-omik Çağı

İnsan genomunun sayıları muazzam görünüyor, ancak fark etmişsinizdir ki genomun yapısı biraz karmaşık ve o kadar uzun bir kod olmasına rağmen içinde ancak 20 bin civarı gen bulunuyor. Bu durum kodun kötü yazılmasından kaynaklı diye düşünebilirsiniz. Aslında bu sorunun evrimsel pek çok yanıtı olduğu gibi bizim de hala keşfetmediğimiz pek çok noktası olduğunun altını çizmek isterim. Peki bu soruların cevaplarını nerede bulabiliriz derseniz, bilim insanları bu konular üzerine inanılmaz boyutta çalışmalara devam ediyorlar. Bu projeler ülkemizde CERN kadar popüler ve ünlü olmasa da onun kadar büyük ve etkileyici çalışmalar. Kısaca bu projelerden etkileyici olanları şunlar:

  • 1K Genom Projesi (26 populasyon, 2504 kişi)
  • 100K Genom Projesi (UK- Fizyolojik veriyle birlikte)
  • 1M Genom Projesi (US-Obama başlattı.)
  • 2K Genom Projesi (Çin-sadece en zeki 2K)
  • The EarthBioGenome Projesi (9K Ökaryot, 150K diğer taksonlar)
  • The Cancer Genome Atlas-TCGA (11K kanser hastası verisi)

Gördüğünüz gibi projeler muazzam boyutlarda ve günümüzde aslında binlerce insanın genomu sadece bu projeler çerçevesinde dizilenmiş durumda. Bunun yanı sıra özel teşebbüslerle de binlerce insana ait genom verisi de yine ortaya çıkarılmış durumda.

Peki bir insan genomu kaç byte?

Şimdi kısa ve teorik bir hesap yapalım :

3,547,762,741 baz çifti — base pair(bp)(insan genomu)x 2 (iki set kromozomumuz var)
 = 7,095,525,482 bp (46 kromozom)

A-00, T-01, C-10, G-11 → 1 byte (4 nükleotid 1 byte; 8 bites)

7,095,525,482 / 4= 1773881370.5 byte

Yani teorik olarak bir insan hücresinde ~1.77 GB bilgi bulunuyor.

Bu hesapta, pozisyon bilgisi ya da kromozom bilgisi gibi diğer bilgiler yer almıyor. Yani sadece lineer DNA’da sadece bazları ele alıp bir hesap yaptık. Aslında insan genomu, günümüzdeki teknolojiyle baktığımızda bir DVD’nin içinde fazlasıyla sığabilecek bir boyutta görünüyor.

Peki gerçek hayatta durum nasıl? Gerçek hayatta durum gerçekten çok farklı. Özellikle kullanılan dizileme teknolojisiyle de ilişkili olarak ve yapılan çalışmaların derinliğine göre; bir insan genomunu dizilediğinizde 80 GB’dan 200GB’ta kadar ya da daha fazla boyutlarda veri elde ediyorsunuz. Bunun sebebi genel olarak, insan genomu dizileme çalışmalarında yüksek tekrar sayısıyla, deneysel hata payını azaltmak ve daha doğru bir şekilde veri elde etmek.

Peki binlerce insandan gelen, GB’larca veri nerede?

Modern araştırma merkezleri ve şirketlerde genel olarak iş akışı, deneysel çalışmalar, DNA dizilemesi ve bu kaynaklardan gelen verinin veri merkezlerinde depolanması/işlenmesi şeklinde işliyor kısaca. Örneğin resimlerde Sanger Enstitüsünün alt yapısını görmektesiniz.

Bunun yanı sıra pek çok özel yapılanma da bu genom üzerine iş modellerini geliştirmiş durumda.

  • Google → Google Genomics
  • Amazon Web Services → Life Sciences
  • Apple → iPhone, Genetic app.’lar(?)
  • SevenBridges → Veri yönetimi/Analizi (AWS ile birlikte)(Kurucu ortaklardan biri: Deniz Kural)
  • 23andMe → Genetik analiz servisi(1M’dan fazla insandan örnek)
  • Ve diğer pek çok şirket

Google’dan Amazon’a içinde dünya devlerinin de bulunduğu bu şirketlerin genomik alanına yatırım yapması aslında çok şaşırtıcı değil. Çünkü gelecek yıllarda, her insanın genomunun dizilenmesi ön görülüyor.

Peki bu kadar genomik veriyi ne yapacağız? Neden herkes kendi genomunu bilecek. Farmakogenomikten, onkogenomiğe kadar pek çok alanda aslında genomik veri uygulamalarla buluşacak. Farmakogenomik, kişiselleştirilmiş tıp uygulamalarında büyük önem taşıyan ve insanların ilaçlara olan tepkilerine göre daha uygun tedavilerin kişiselleştirilerek geliştirilmesini sağlayan bir alan. Onkogenomik ise, kanser genetiği çalışmaları ve kanserde genetik çözümler için önemli nokta. Bunlardan başka nadir hastalıklar, immün sistem hastalıkları, alerjiler gibi pek çok alanda genomik uygulama alanı bulacak ve günlük hayatımıza girecek. Bu sebeplede yakın bir gelecekte tüm insanların genomlarının dizileneceği ve modern tıp uygulamalarında yerini alacağını görmek mümkün.

Bunun yanı sıra, gneomik çalışmalar günümüzde yeni bir iş modelininde geliştirilmesine sebep olmuş durumda. İnternetten sipariş ettiğiniz örnekleme kitine tükürüyorsunuz. Sonra tekrar kargoyla şirkete gönderiyorsunzu ve size genomunuz hakkında bilgiyi size internet üzerinden ulaştırıyorlar. 23andMe (az önce verdiğimiz örneklerdendi) bu modelin gelişimini hızlandırmış önemli şirketlerden biri olarak dikkat çekiyor. Böyle bir servis Türkiye’de henüz bulunmuyor. Bu ise benim içimde büyük bir burukluk yaratıyor. Bu konuya dair çözümümde var ve konu üzerine çalışmaya devam ediyorum (reklamlar bitti :) ).

DNA’nın interneti

Aslında anlatmaya çalıştığım nokta, yakın bir zamanda, DNA verilerimiz internette yer alacak ve birbirimize bu verileri gönderebilir hale geleceğiz. Genom verileri için bulut teknolojisi yaygınlaşıyor ve insanlar kendi genom verilerine şirketlerin sunduğu ara yüzler üzerinden ulaşıyorlar. Halka açık veri tabanlarında kişisel bilgilerden arındırılmış veri setleri de ayrıca herkesin erişimine açık yer alıyor. Yani insanın aklına bir soru geliyor :

İstediğim genom verimi, doktorumla sadece “paylaş” butonuna basarak paylaşabilir miyim?

Sanırım ki evet paylaşabileceksiniz. Ama başka bir soru daha geliyor benim aklıma :

Peki ya beş yıl sonra sigorta şirketim benim genom verime erişim isterse?

Bu konular biyoetik dediğimiz alanın incelemesi içine giriyor ve yasaların aslında bu tür sorulara cevap verebilecek şekilde tasarlanmasının önemini de belirtiyor. Ancak ben bu noktaya çok değinmeyeceğim.

Herşey bunca hızıyla değişirken, biz hiç bir şey yapmayacak mıyız? Sadece tükürük örneğimizi gönderip sonuçlarımızı mı bekleyeceğiz? Ya da bir firma genomumuzu dizilediğinde bunu sadece doktorum mu inceleyebilecek? Yani ben kendi genom verimi elimde bulunduracağım ama bu işten anlamayacak mıyım?

Bu soruları ve bundan çok daha fazlasını soran pek çok insan, dünyada çeşitli noktalarda bir araya geliyorlar. DIYBIO (diybio.org), BIOHACK, BioSpace gibi isimler altında topluluklar oluşturuyorlar. Açık kaynak felsefesini ve faydalı olma misyonunu taşıyan bu topluluklar ya da kendi garajında deneylerini yapan pek çok insan aslında biyoteknoloji ve yaşam bilimlerine dahil oluyor ve onu günlük hayatına dahil ediyor.

Türkiye’de henüz böyle bir girişim bulunmuyordu ya da böyle bir alan yoktu. Ancak Gelecekhane-Gen Hareketi ve Gelecek Araştırmaları Enstitüsüyle ayrı ayrı Ankara ve İstanbul’da “kendin yap” felsefesini taşıyan atölyeler kurmak için çalışmalarımıza başladık. Sizi de bekliyoruz :)(21 Mart Salı Günü konuyla ilgili de bir meet-up’ımıvar Gen Harektinde. )

KAPANIŞ SORUSU :

Peki bu gün kendi genomunuz hakkında ne biliyorsunuz?

Ve son bir soru : Gelecek genomda mı?

  • Evet genom’da

https://medium.com/turkce/gelecek-genomda-72eb5fee7d01#.eimpy5oj5

https://www.forbes.com/sites/luketimmerman/ 2015/04/29/qa-with-jay-flatley-ceo-of-illumina-the- genomics-company-pursuing-a-20b-market/ #44b85bf842e7

Referans Makaleler

  • Krzywinski, Martin, et al. “Circos: an information aesthetic for comparative genomics.” Genome research 19.9 (2009): 1639–1645.
  • Vayena, Effy, and Urs Gasser. “Between openness and privacy in genomics.” PLoS Med 13.1 (2016): e1001937.
  • Kiechle, Frederick L., Xinbo Zhang, and Carol A. Holland-Staley. “The-omics era and its impact.” Archives of pathology & laboratory medicine 128.12 (2004): 1337–1345.
  • Davis-Dusenbery, Brandi. “Precision Medicine Research in the Million-Genome Era.” (2017).
  • Richardson, Sarah M., et al. “Design of a synthetic yeast genome.” Science 355.6329 (2017): 1040–1044.
  • Rands, Chris M., et al. “8.2% of the human genome is constrained: variation in rates of turnover across functional element classes in the human lineage.” PLoS Genet 10.7 (2014): e1004525.

İnternet Kaynaklar

Teşekkürler :)

  • Bu yazı ve sunumun hazırlanmasında bana destek olan Emre YILMAZ’a
  • Yazıdaki ölümcül imla hatalarımı düzeltmemde yardımcı olan Şafak Esra Aslan’a
  • Beni dinlemeye gelen başta teyzem ve eniştem olmak üzere tüm dinleyicilere