Sentetik Biyoloji, Mikropların Kas İnşa Etmesini Sağlıyor!

St. Louis'deki Washington Üniversitesi'ndeki Mckelvey Mühendislik Okulu'ndaki bilim insanları mühendislik tekniklerinden yararlanarak mikropların içerisindeki protein moleküllerini polimerize etmek için sentetik kimya yaklaşımı geliştirmişlerdir. Bu yaklaşım sayesinde, mikroplardaki yüksek molekül ağırlıklı kas proteini olan titinin üretilmesi sağlanmıştır. Araştırmacıların yürüttükleri bu çalışma 30 Ağustos Pazartesi günü Nature Communications dergisinde yayınlanmıştır.

Enerji, Çevre ve Kimya Mühendisliği Bölümü’nden akademisyen Prof. Fuzhong Zhang çalışmayla alakalı olarak bu geliştirilen sentetik kimyasal metodolojisinin; ucuz ve ölçeklenebilir bir yaklaşım olduğunu belirtmiştir. Birçok uygulamayı mümkün hale getiren bu yaklaşım artık hayvan hücrelerine gereksinim duyulmadan üretilebileceğine de değinmiştir.

Prof. Zhang’ın laboratuvarında üretilen sentetik kas sistemi kas dokusunun üç ana protein molekülünden biri olan titindir. Titin, mekanik özellikleri bakımından oldukça önem ihtiva etmektedir. Titin ayrıca moleküler bakımdan oldukça büyük bir boyuta da sahiptir. Cameron Sargent makalenin ilk yazarlarından ve ayrıca Biyolojik ve Biyomedikal Bilimler Bölümü’nde doktora öğrencisidir. Cameron Sargent; Enerji, Çevre ve Kimya Mühendisliği Bölümü’nden doktorasını yeni tamamlamış Christopher Bowen ile birlikte makalede titinin gerçekten de doğadaki en büyük protein olduğunu söylemiştir.

Prof. Zhang kas liflerine olan ilgisi uzun bir zamana dayanmaktadır. Bilim insanları yumuşak robotik teknikler gibi çeşitli uygulamalardan yararlanarak kasların özelliklerini taşıdığı malzemeler tasarlamak için uğraşmaktadırlar. Prof. Zhang bunun için ilk önce doğrudan kas liflerini kullanmayı seçmiştir ve bunu da hayvan hücrelerinden değil mikroplardan elde ederek yapmaya çalışmıştır.

Tipik olarak bakterilerin büyük proteinler üretmesini engelleyen bazı sorunları aşmak için araştırma ekibi, proteinin daha küçük parçalarını bir araya getirerek, ortalama bir bakteri boyutunun yaklaşık 50 katı büyüklüğünde, iki megadalton civarında ultra yüksek moleküler ağırlıklı polimerlere parçalayacak şekilde bakterileri üretmişlerdir. Daha sonra, proteinleri yaklaşık on mikron çapında veya insan saçının onda biri kalınlığında liflere dönüştürmeye çalışmışlardır.

Enerji Bölümü’nden Prof. Young Shin Jun ile birlikte çalışarak, Çevre ve Kimya Mühendisliği ve Northwestern Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Sinan Keten dahilindeki çalışma ekibi daha sonra bu liflerin yapısını analiz ederek olağanüstü sertliğin benzersiz kombinasyonunu sağlayan moleküler mekanizmaları belirlemişlerdir.

Yapılan çalışmalarda liflerin birçok potansiyel biyomedikal uygulamalara sahip olduğu belirlenmiştir. Sentetik olarak üretilen bu lifler kas dokusunda bulunan proteinler ile çok benzediği için hatta neredeyse aynı olduğu için biyouyumluluk göstermektedir. Böylece malzeme bilimine ve doku mühendisliği tekniklerine hiç kuşkusuz iyi bir alternatif olacaktır.

Prof. Zhang ve araştırma ekibi sadece sentetik kas lifleri ile de kalmayıp muhtemelen mikrobiyal sentez stratejileri tarafından oluşturulan daha benzersiz materyaller ile metodolojiler geliştirecektir. Araştırma ekibi çalışmaya dayalı olarak bir patent başvurusunda bulunmuşlardır.

Kaynaklar ve İleri Okuma

1. https://phys.org/news/2021-08-synthetic-biology-enables-microbes-muscle.html

2. Microbial production of megadalton titin yields fibers with advantageous mechanical properties, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25360-6