DNA Dizilimi Nasıl Yapılır?

DNA’yı dizilemek çok ama çok basittir: Bir molekül vardır, ona bakarsınız ve bulduğunuzu kağıda yazarsınız. Bunun kolay olduğunu düşündünüz, ki zaten öyle. Sorun, bir DNA molekülüne bakıp, zincirindeki her bağlantının kimyasal kimliğini denetlemek değil, bu kimlikleri milyonlarca kez denetlerken aslında hiç hata yapmamaktır. Zor olan şey budur fakat DNA’nın öyle bir doğası vardır ki, eğer doğru dizilimin sadece %95’ini elde ettiyseniz, hiçbir şey elde etmemiş de olabilirsiniz. Peki bilim insanları bu dizileri aslında nasıl okuyor, modern tıp ve biyoteknolojinin büyük bir bölümünü onlarla birlikte nasıl inşa ediyorlar?

Aşağı yukarı herşey, Frederick Sanger adlı bir bilim insanı ile başladı. Sanger, bir DNA molekülünü okumanın hünerli bir yöntemini keşfetti. Bu yöntemde dDNA (veya di-deoksi-ribonükleik asit) adı verilen DNA temellerinin (bazlarının) özelleştirilmiş bir türü kullanılıyordu. ‘di’ kısmı, dDNA temellerinin RNA temellerinde bulunan -OH takımlarının her ikisinden de yoksun olduğunu belirtirken, normal deoksi-ribonükleik asit (DNA) hâlâ bunlardan bir tanesine sahiptir. Normal DNA temellerinde bu tek -OH takımı, bir DNA molekül zincirinde bir sonraki bağlantı için bağlanma noktası olarak görev yapar. dDNA buna sahip olmadığı için, DNA’nın niteliksel zincirlerini oluşturamaz, bu yüzden büyüyen bir DNA ipliğiyle birleştikleri zaman, tüm zincir büyüme işlemlerini sonlandırır. Sanger, dDNA temellerinin sahip olduğu bu eğilimden faydalanıp herhangi bir zincir uzatma işlemini durdurarak, zincirin dizilimini görebileceğini anladı.

DNA diziliminin hızı üslü biçimde artıyordu, fakat bu gidiş devam edebilir miydi?

Hızlı bir düşünce deneyi yapalım: ATCG dizilimine sahip 4 temelli bir DNA molekülümüz olduğunu düşünelim, fakat bu dizilimi bilmiyoruz ve bilmek istiyoruz. DNA’nın kendini kopyalamasını çok kolay bir şekilde sağlayabileceğimizi biliyoruz; serbet şekilde gezen DNA temellerini çift sarmallara bağlayan enzimlerin varlığında, çift sarmal iki ayrı ipliğe “eriyene” kadar DNA’yı ısıtırsanız, daha önce bir tane bulunan yerde iki tane ayrı çift sarmal elde edersiniz. Fakat ya bu tek ipliklere bağlanmakta olan serbest gezen temeller, sıradan DNA temelleri ile “uçtaki” dDNA temellerinin bir karışımıysa?

Bu durumda, ışınır şekilde etiketlenmiş uç dDNA temellerimizin büyüyen zincirlerde son olarak nereye eklendiğine bağlı olarak, bir ürün karışımı elde ederdik. ATCG molekülümüz için, kopyalanan ipliklerden bazıları tam uzunlukta ve etiketlenmemiş olacaktır; yani hiçbir dDNA temeli eklenmemiş olacaktır. Fakat aynı zamanda bazı tek temelli ipliklerin dDNA C temelinde (sadece tek bir A-C temel çifti) sona erdiğini de görebilirdik. Ayrıca daha işlevsel olarak, etiketlenmiş bir G’de sonlanan iki temelli iplikler, etiketlenmiş bir T’de sonlanan üç temelli iplikler ve etiketlenmiş bir A’da sonlanan dört temelli ipliklerin bir karışımı da elde edebilirdik. Bu bize CGTA’nın ardışık bir okumasını verir, yani asıl tamamlayıcı sıralama ATGC olmuş olur.

Bununla beraber, bu işlemi otomatik hale getirmek bile, çağdaş tıp ve genetiğin gerektirdiği nüfus ölçeğindeki toplu çözümlemeyi sağlamak için çok yavaş kaldı. İşte burada “çok büyük ölçekte paralel dizilim” devreye girdi, buna bazen amiyane tabirle av tüfeği dizilimi de denir. Bu, temel olarak, eğer uzun bir DNA dizilimini daha küçük parçalara ayırırsanız, aynı anda hepsini okuyabileceğiniz fikrine gönderme yapar. Bu bölünmüş veriyi alıp bulmaca benzeri bir algoritma kullanarak, başlangıçta nasıl birbirlerine uyduklarını çözmek zorunda olduğunuz için, elinizdeki tüm örneğin çok ama çok fazla kopyasını okumak zorundasınız.

Bu av tüfeği yöntemlerinin en ünlüsü muhtemelen Solexa idi, DNA’yı parçalayıp cam levhaya yapıştırmayı sağlamıştı. İşlem, tersine çevrilebilir uç temelleri kullanıyor. Bu temeller, biliminsanları engeli kaldırmaya karar verip sıradaki bağlantının eklenmesine izin verene kadar zincir büyüme işlemini bir süreliğine geciktiriyor. Katı “ekle, oku, engeli kaldır” döngüsü, biliminsanlarının, başka bir geçici uç temelinin eklenmesine izin vermeden ve yeni bir fotoğraf almadan önce her birinin sonundaki temeli okuyarak milyonlarca parçanın bir fotoğrafını almalarını sağlıyor.

Çok büyük ölçekte paralel dizilim, genom bilimi araştırmacıları için oyunu değiştirdi fakat bu adım, kocaman dizilimlerin hızını çok daha satın alınabilir ve uygulanabilir yaparak kamu sağlığında devrim yaratabilecek olan bu yöntemlerden bile sonra geldi. Bunu sağlamak için yarışan birkaç girişim bulunuyor, fakat bunların hepsi, DNA kopyalama işlemini hepten gidermeye yelteniyorlar. Başka bir deyişle, DNA’nın enzimlerle olan karmakarışık, zahmetli ve zaman tüketen etkileşimlerine ihtiyaç duymadan, bir DNA molekülünü “doğrudan” okumak istiyorlar.

Yeni nesil DNA diziciler sadece hızlı değil, aynı zamanda kullanışlılar!

Bu yeni teknolojilerin en başarılısı, nanogözenek sıralaması. Bu yöntem aslında bir DNA ipliğini iletken bir malzemedeki bir gözenek içinden geçiriyor. Temeller bu nanogözenek içinden geçtikçe, boyutlarının hafifçe farklı olması yüzünden gözeneği belli bir miktar esnetiyorlar ve gözeneğin üzerinde bulunan mekanik gerginlikteki bu değişim, eletrik iletkenliğinde bir değişime dönüştürülüyor. Bu diziciler, bir DNA ipliğinin bir gözenek üzerinden geçmesiyle meydana gelen iletkenlik değişimlerini okuyarak, eskiden kalma kopyalama tepkimelerini ortadan kaldırıyorlar.

Zamanla daha fazla DNA teknolojisinin icat edilip yaşama elverişli olmayan ortamlarda çalışanlara veya hergün bir Solexa deneyi çalıştıracak parası olmayan dünya çapındaki milyonlarca aile hekimine yardımcı olmasıyla, bu önemli hale gelecek. Sıralama teknolojisini geliştirmek birçok yeni araştırma kapısı açacak, fakat iyi sermayeli laboratuvarlar için dizilimde bulunan sınırlar zaten son derece yüksek. Bu noktada, daha yeni ve daha iyi sıralama teknolojisinin sahip olduğu anlam, şu anda fiziksel bilimlerin muhtemelen en yeni dalını demokratikleştirme gücünde yatıyor. Sıralamada meydana gelecek devrimler, yeni bilimsel keşiflere imkan tanıyabilir, fakat daha çok, bir süredir elimizde bulunan fikirlerin gerçek dünyadaki uygulamalarına olanak sağlayacaklardır.

Peki ya kişiselleştirilmiş ilaçların sahip olduğu imkanlar hakkında okuduğunuz tüm şu makaleler ne olacak? Bunları gerçekleştirmek için, bu tür sıralama buluşlarının devam etmesi gerekecek. Fakat dünyadaki grafen ve süperiletkenlerden farklı olarak, sıralama teknolojisi neredeyse inkar edilemez bir şekilde amacına ulaşacak, üstelik yavaş olarak da değil. Bu yüzden, sorulacak soru, “Daha fazla DNA’yı nasıl sıralarız?” olmaktan ziyade, “Bu sıralamaları mümkün olduğu kadar fazla insanın eline verdiğimiz zaman, onlarla ne yapabiliriz?” oluyor.