CRISPR’da Yeni Bir Çağ: Yıkıcı Teknolojiler Kombinasyonu

CRISPR-Cas9, gen düzenleme yönteminin geliştirilmesi adına yaptıkları çalışmalarla 2020 Nobel Kimya Ödülünü kazanan Emmanuelle Charpentier ve Jennifer Doudna sayesinde bilim dünyasında sık duyduğumuz bir kavram oldu.

CRISPR “gen modifikasyonu” olarak geçen teknoloji yaşamımızı birçok yönden iyileştirebilecek ve geliştirebilecek olmasıyla gelecek için önem taşıyor. Bu yazıda sizlere CRISPR’ın temellerini, hayatımıza nasıl dokunduğunu ve dokunabileceğini paylaşacağım.

CRISPR Nedir ve Nasıl Çalışır?

1987’de Ishino ve ark. genin aşağı doğru bilinmeyen bir fonksiyona sahip tekrar dizileri içeren CRISPR lokusları keşfedildi. CRISPR lokusları, dizili bakterilerin yaklaşık %40’ında ve dizili arkelerin yaklaşık %90’ında bulundu. CRISPR’ da kullanılan Cas genleri  genom düzenlemesi için gerekli RNA’ları kopyalayan ve işleyen yüksek düzeyde uyarlanabilir kalıtsal bir direnç mekanizmasıdır [1].

CRISPR-Cas9 ile Genom Düzenleme: Genom düzenleme ilkesi, genom üzerinde hedeflenen DNA’nın çift zincir kırılmasıdır. DNA zincirinin kırılması için hedef bölgeye homolog bir diziye olan kısıma RNA (crRNA), transaktive edici CRISPR RNA (tracrRNA) ve Cas9 nükleazını hedef bölgeye getirilir. crRNA-tracrRNA-Cas9 tarafından parçalanma mekanizması (Cas9-sgRNA kompleksi) hedef DNA’da çift zincir kırılması meydana gelir. Cas9-sgRNA kompleksi bir kez hedef geni böldüğünde delesyon veya ekleme mutasyonu ile genin işlevini bozmak kolaydır. Bu yöntem, şimdi pratik bir genomik düzenleme tekniği olarak hızla yayılıyor [2].

CRISPR’ın Kullanıldığı Alanlar

• İnsan Hastalıkları Tedavisi: Toplumda bazı hastalıkların temeline inildiğinde bunların gen mutasyonları, virüsler, enzimler gibi etkenlerin sebebiyet verdiği görülüyor. CRISPR buna sebebiyet veren etkeni modifiye ederek bunlara çözüm sağlıyor. Örnek olarak:

Kanla ilgili bir bozukluk olan orak hücreli (SC) anemi, β-globin geninde anormal hemoglobin S (HbS) proteini oluşumuyla sonuçlanan bir mutasyondan kaynaklanır. Hasta kanından hematopoietik kök ve progenitör hücrelerde (HSPC’ler) Hbs geninin CRISPR-Cas9 tabanlı düzeltmesi, hemoglobinin normal fonksiyonel yeniden oluşumunu doğruladı.

CRISPR-Cas9’un, HIV-1 provirüsünün DNA’sındaki LTR’leri mutasyona uğratarak, latent HIV-1 provirüsünün parçalanmasına yol açabileceği gözlemlendi. CRISPR-Cas9 aracılı gen düzenlemenin, HIV-1 enfeksiyonunun birden çok adımını engelleyebildiği bildirilmiştir [3]

Bunların dışında tabloda verilen hastalıklar üzerinde çalışmalar devam ediyor.

• COVID-19 Enfeksiyonu Tanısı:

SARS-CoV-2’nin hızlı ve doğru teşhisi için birçok endüstri CRISPR/Cas sistemini kullanarak ekonomik açıdan uygun kitleri keşfetmeye başladı. DETECTR (Cas 12) ve SHERLOCK (Cas 13) sistemleri kullanıldı [4].

• Mahsul İyileştirme ve Gen Tedavisi:

CRISPR-Cas9 tarafından düzenlenen arg nakavt bitkilerin daha iyi kök gelişimine sahip olduğunu; bitki büyümesi, azot eksikliği ve kuraklık stresi dahil olmak üzere farklı abiyotik streslere karşı toleransı arttırdığını göstermektedir [5].

CRISPR ve Yıkıcı Teknolojiler

Makine Öğrenimi(Machine Learning, ML) teknolojisi insanların öğrenme şekillerini taklit etmek için veri ve algoritmaların kullanımına odaklanıp doğruluğunu kademeli olarak artıran bir yapay zeka (Artificial Intelligence, AI) ve bilgisayar bilimi dalıdır. CRISPRidentify’nin gerçek CRISPR dizilerini yanlış olanlardan doğru bir şekilde ayırt etme yeteneği tespit edildi. Giriş olarak bir DNA dizisini kullanarak, ardışık düzenimiz üç adım gerçekleştirir:  1) tekrarlayan öğelerin tespiti ve dizi adaylarının oluşturulması 2) diziyle ilgili birkaç özelliğin çıkarılması 3) dizi adaylarının ML tabanlı sınıflandırılması  [6, 7].

Sanal Gerçeklik (Virtual Reality, VR) teknolojisi oluşturulan kurgular ile gerçek ve hayalin birleştirilmesidir. Genomics Innovative Institute şirketi “CRISPR ve Orak Hücre” modülü ile demo yapmak veya öğretmek isteyen eğitimciler, bilim adamları veya diğer kişiler için rehberlik amaçlı gösterim sağlıyor [8, 9].

Artırılmış Gerçeklik (Augmented Reality, AR) teknolojisi gerçek dünyadaki çevrenin ve içindekilerin, bilgisayar tarafından üretilen; ses, görüntü, grafik ve GPS verileriyle zenginleştirilerek meydana getirilen canlı veya dolaylı fiziksel görünümüdür. Genomics Innovative Institute şirketi CRISPR-3D uygulamasıyla tamamı gerçek bilimsel verilere dayanan Cas protein modellerini ve CRISPR’ ın çeşitliliğini sergiliyor [10, 11].

Örneklerde gördüğümüz gibi yıkıcı teknolojiler CRISPR’ı gen düzenlemesi kontrolleri, eğitimler gibi alanlarda katkıda bulunuyor. Bunu manuel yöntemlere göre daha hızlı, daha ekonomik ve daha güvenli yapıyor. 

Gelecekte yıkıcı teknolojilerin analiz yöntemleri ve sağladığın kolaylıklardan dolayı  CRISPR uygulamalarının gen modifikasyonunda etkili bir yol sağlayacağına ve böylece daha öngörülebilen çalışmaların gerçekleşeceğine inanıyorum.

Referanslar

1. Hryhorowicz, M., Lipiński, D., Zeyland, J., & Słomski, R. (2017). CRISPR/Cas9 immune system as a tool for genome engineering. Archivum immunologiae et therapiae experimentalis, 65(3), 233-240.
2. Ishino, Y., Krupovic, M., & Forterre, P. (2018). History of CRISPR-Cas from encounter with a mysterious repeated sequence to genome editing technology. Journal of bacteriology, 200(7), e00580-17.
3. Sharma, G., Sharma, A. R., Bhattacharya, M., Lee, S. S., & Chakraborty, C. (2021). CRISPR-Cas9: a preclinical and clinical perspective for the treatment of human diseases. Molecular Therapy, 29(2), 571-586.
4. Hillary, V. E., Ignacimuthu, S., & Ceasar, S. A. (2021). Potential of CRISPR/Cas system in the diagnosis of COVID-19 infection. Expert review of molecular diagnostics, 21(11), 1179-1189.
5. Li, C., Brant, E., Budak, H., & Zhang, B. (2021). CRISPR/Cas: a Nobel Prize award-winning precise genome editing technology for gene therapy and crop improvement. Journal of Zhejiang University-SCIENCE B, 22(4), 253-284.
6. Mitrofanov, A., Alkhnbashi, O. S., Shmakov, S. A., Makarova, K. S., Koonin, E. V., & Backofen, R. (2021). CRISPRidentify: identification of CRISPR arrays using machine learning approach. Nucleic acids research, 49(4), e20-e20.
7. Makine Öğrenmesi . [cited 2022 May 5]; Available from: https://www.ibm.com/tr-tr/cloud/learn/machine-learning
8. Sanal Gerçeklik . cited 2022 May 5]; Available from: https://tr.wikipedia.org/wiki/Sanal_ger%C3%A7eklik
9. CRISPR-VR: Explore Sickle Cell and Genome Editing. [cited 2022 May 5]; Available from: https://innovativegenomics.org/vr/
10. Artıtılmış Gerçeklik. [cited 2022 May 5]; 

AvailableFrom: https://tr.wikipedia.org/wiki/Art%C4%B1r%C4%B1lm%C4%B1%C5%9F_ger%C3%A7eklik

11. CRISPR-3D: Cutting-Edge Biology in Augmented Reality. [cited 2022 May 5]; Available from: https://innovativegenomics.org/crispr-3d/