BS Ekonomi Bağımsız Medyasını Destekleyin
Eğer abone iseniz giriş yapınız.
Hastalıkları tedavi edebilir, ilaçları test edebilir ve tarım verimini artırabilirler.
Biyoyakıt üretimi dağınık, verimsiz ve pahalı bir süreçtir. Mısır ve soya fasulyesi gibi büyük miktarlarda tarım ürününün yetiştirilmesi, hasat edilmesi ve işlenmesi gerekir. Çünkü bu ürünlerin enerjisi, yalnızca yavaş ilerleyen doğal fotosentez yoluyla birikir. Seattle’daki Washington Üniversitesi’ne bağlı Protein Tasarımı Enstitüsü’nden (IPD) Nate Ennist, sentetik proteinlerin bu süreci daha verimli hâle getirebileceğini düşünüyor.
Ennist’in hedefi, bitkilerin fotosentetik mekanizmasını değiştirmektir. Bu mekanizmayı basitleştirmenin yanı sıra, doğal olarak tercih edilen kırmızı ve mavi ışığın ötesinde bir ışık spektrumundan da faydalanabilecek hale getirmeyi amaçlıyor. Daha uzun vadede ise, yakalanan enerjinin kullanılma biçimini değiştirerek, bu enerjiyi şeker üretmek yerine hidrokarbon üretiminde kullanmayı planlıyor.
İnsanlar için proteinleri işlevsel hale getirmek yeni bir fikir değil. Enzimler ve antikorlar, bu tür müdahalelere uzun zamandır maruz kalıyor. Ancak Ennist’in yaptığı şey, mevcut proteinleri değiştirmek değil; yapay zekâ (AI) kullanarak sıfırdan, yalnızca belirli görevler için optimize edilmiş proteinler tasarlamak. Başlangıçta bu proteinler uygun canlılara, örneğin bitkilere veya bakterilere yerleştirilerek test edilecek. Ancak Ennist’in asıl hedefi, bu proteinlerin bir noktada bağımsız olarak işleyebilmesi ve elektrik değil, benzin üreten yeni bir tür güneş hücresinin temeli olabilmesi.
Bu ve diğer projeleriyle—yapay burunlardan covid-19 aşılarına kadar uzanan geniş bir yelpazede—David Baker’ın yönettiği IPD, yıllardır abartılı vaatlerde bulunmasına rağmen hayal kırıklığı yaratan nanoteknoloji alanını yeniden canlandırıyor. Geçmişte molekül boyutundaki faydalı fabrikalarla ilgili beklentiler, yıllar içinde güneş kremi içerikleri ve tenis raketi çerçevelerinde pazarlama malzemesine indirgenmişti. Fakat şimdi, bu ilk vaatler güçlü bir şekilde geri dönüyor.
Yeni nesil nanoteknoloji, üç temel yetkinliğe dayanıyor. İlki, bir proteinin yapısının onun işlevini nasıl etkilediğini anlayabilmek. Ennist bu bağlamda, klorofil moleküllerinin fotosentezin merkezinde yer alan çiftlerini bir arada tutabilecek proteinler arıyor. İkinci olarak, hedeflenen yapıya katlanması beklenen amino asit dizilerini tasarlayabilmek gerekiyor. Üçüncü olarak ise, bu dizilerin gerçekten istenen şekli alıp almayacağını, sentezlemeden önce bilgisayar ortamında doğrulamak şart.
İlk görev için Dr. Baker ve ekibi, bir proteinin yapısından işlevini tahmin eden RFdiffusion adlı AI modelini kullanıyor. Bu model, görsel üreten yaygın AI sistemlerine benzer şekilde çalışıyor; ancak resim ya da sanat yerine, 200.000’den fazla doğal proteinin bulunduğu bir veritabanıyla eğitilmiş. İkinci adımda, ProteinMPNN adlı başka bir AI modeli kullanılıyor. Bu model, amino asitlerin protein zincirlerinde ve diğer moleküllerle nasıl etkileşime girdiğini gösteren veritabanlarından faydalanıyor. Üçüncü adımda ise, Dr. Baker’ın 1990’larda yazdığı yazılımın evrimi olan RoseTTAFold adlı makine öğrenimi modeli devreye giriyor. Bu sistem, daha sonra Alphabet’in milyarlarca dolarlık desteğiyle geliştirilen AlphaFold’un öncülü oldu ve bu nedenle AlphaFold’un yaratıcısı, 2024 Kimya Nobel Ödülü’nün diğer yarısını kazandı.
Tasarım süreci tamamlandığında, uygun DNA dizileri sentezleniyor ve bakterilere ya da mayalara aktarılıyor. Böylece, bu yeni proteinin gerçekten işlevsel olup olmadığı test edilebiliyor.
Fotosentezi yeniden tasarlamanın ötesinde, IPD’deki araştırma ekipleri çok çeşitli projeler üzerinde de çalışıyor. Örneğin, halka şeklinde protein lifleri birbirine bağlanarak zırh gibi kumaşlar üretilebilir. Kemik ya da sedef gibi karmaşık, hem organik hem inorganik özellikler taşıyan malzemelerin yeni versiyonları geliştiriliyor. PET gibi geri dönüşümü zor plastikleri parçalayabilen ve onları yararlı kimyasallara dönüştürebilen enzimler üzerine de çalışmalar yapılıyor. Ayrıca, protein gözeneklerinden molekülleri geçirerek onların kimliğini tanıyan çip tabanlı sensörler geliştiriliyor. Bu teknoloji halihazırda DNA ve RNA gibi yapılar için kullanılıyor olsa da, Dr. Baker bu sistemin çok daha geniş bir molekül yelpazesi için uygulanabileceğini ve böylece esasen yapay burunlar oluşturulabileceğini düşünüyor. Üstelik bunlar yalnızca tıp dışı uygulamalar.
Sağlık alanında ise olanaklar daha da geniş. Enstitünün geliştirdiği covid-19 aşısı SKYCovione, SARS-CoV-2 virüsünün diken proteininin bazı kısımlarının sentetik kopyalarını bağışıklık sistemine tanıtarak çalışıyor. IPD araştırmacıları ayrıca, yılan zehrine karşı yeni tedavi yöntemleri üzerinde çalışıyor. Mevcut antikorlara benzer biçimde kan dolaşımındaki zehir moleküllerine bağlanarak onları etkisiz hale getiren bu yeni proteinler, daha küçük yapıda ve üretimi daha kolay. Benzer bir yaklaşım, Alzheimer hastalığı için de düşünülüyor. Beyin dokusunda biriken plak ve lif yumaklarının öncüllerine bağlanabilen proteinler geliştirilmeye çalışılıyor. Ayrıca, CRISPR-Cas gen düzenleme sisteminde kullanılan “Cas” adı verilen moleküler makasların yerine geçebilecek, hedef DNA dizilerine özel olarak bağlanabilen nükleazlar tasarlanıyor. Bu sayede hem düzenlenebilecek DNA çeşitliliği artıyor hem de yanlış hedeflere yapılan düzenlemelerin riski azalıyor.
Dr. Baker’ın öncülüğünde başlatılan bu çalışmalar, başkalarına da ilham veriyor. Alphabet bünyesinde, AlphaFold’un Nobel ödüllü geliştiricilerinden Sir Demis Hassabis tarafından yürütülen iki protein tasarımı projesi var. Londra merkezli Isomorphic Labs, Eli Lilly ve Novartis gibi ilaç firmalarıyla potansiyel ilaçların hedef proteinlerle etkileşimini test etmek üzere anlaşmalar yaptı. Diğeri ise, Google DeepMind tarafından geliştirilen AlphaProteo adlı sistem; bu sistem, belirli hedef moleküllere bağlanacak proteinleri tasarlıyor.
Bazı şirketler ise farklı yaklaşımlar benimsiyor. Kaliforniya’daki Profluent ve New York’taki EvolutionaryScale gibi girişimler, protein tasarımı için görüntü üreten sistemler yerine, sohbet robotlarında kullanılan büyük dil modellerine benzeyen AI modelleri geliştiriyor. Bu modeller, protein zincirlerindeki amino asit dizilerini bir metindeki kelimeler gibi ele alıyor ve milyarlarca örnek üzerinden ilişkileri analiz ederek yeni ve kullanışlı yapılar tasarlıyor.
Profluent’in CEO’su Ali Madani’ye göre, şirket özellikle yeni CRISPR-Cas gen düzenleme araçları geliştirmeye odaklanmış durumda. Bu alandaki en önemli avantajları, yaklaşık 5 milyon CRISPR-Cas protein kompleksinden oluşan özel bir veritabanı üzerinde modellerini eğitmiş olmaları. Bu sayede, tamamen yeni gen düzenleme araçları tasarlayabileceklerine inanıyorlar.
Biyoyakıt üretimi karmaşık, verimsiz ve pahalıdır. Mısır ve soya fasulyesi gibi büyük miktarlarda tarım ürününün yetiştirilmesi, hasat edilmesi ve işlenmesi gerekir. Çünkü bu ürünlerin enerjisi, doğal fotosentez yoluyla yavaş bir şekilde birikir ve ancak bu işlem tamamlandıktan sonra kullanılabilir hale gelir. Seattle’daki Washington Üniversitesi bünyesindeki Protein Tasarımı Enstitüsü’nden (IPD) Nate Ennist, sentetik proteinlerin bu sürecin verimliliğini artırabileceğini düşünüyor.
Ennist’in hedefi, bu ürünlerin fotosentetik mekanizması. Bu mekanizmayı basitleştirmenin yanı sıra işlev alanını genişletmeyi de amaçlıyor; böylece fotosentezin doğal olarak tercih ettiği kırmızı ve mavi ışığın ötesindeki ışık türlerinden de yararlanılması sağlanabilecek. Daha uzun vadede ise, yakalanan enerjinin kullanım şeklini tamamen değiştirerek bu enerjiden şeker yerine hidrokarbon elde etmeyi planlıyor.
İnsan amaçlarına uygun olarak proteinleri düzenlemek yeni bir fikir değil. Örneğin enzimler ve antikorlar uzun süredir bu tür müdahalelere maruz kalıyor. Ancak Dr. Ennist’in yaptığı şey, mevcut proteinleri değiştirmek değil, sıfırdan özel olarak tasarlanmış proteinler oluşturmak. Bu proteinler, yapay zekâ modelleriyle elde ediliyor ve belirli bir görev için optimize ediliyor. Başlangıçta bu proteinler bir bitki ya da bakteri gibi uygun bir organizmanın içine yerleştirilecek. Ancak Ennist’in umudu, bu proteinlerin zamanla bağımsız çalışabilir hale gelmesi ve böylece elektrik yerine benzin üreten yeni bir güneş hücresi türünün temelini oluşturması.
Bu ve yapay burunlardan covid-19 aşılarına kadar uzanan diğer projelerle birlikte, David Baker’ın yönettiği ve geçen yıl kimya Nobel Ödülü’nü paylaşan IPD, büyük beklentiler yaratmasına rağmen sonuç vermemiş olan nanoteknoloji alanını özüne döndürüyor. Bir zamanlar molekül boyutundaki işlevsel fabrikalarla geleceğe dair büyük vaatler taşıyan bu alan, yıllar içinde güneş kremi içeriklerinden tenis raketi çerçevelerine indirgenmişti. Şimdiyse, ilk vaatler güçlü bir biçimde geri dönüyor.
Yeni nesil nanoteknoloji üç temel unsura dayanıyor. İlki, bir proteinin yapısının işlevini nasıl etkilediğini çözebilme yeteneğidir. Dr. Ennist, fotosentezin merkezinde yer alan klorofil çiftlerini bir arada tutacak ve ışığı yakalayıp enerjisini elektrona aktarmaya uygun yollarla çalışabilecek proteinler arıyor. İkincisi, bu hedef yapıya katlanması beklenen amino asit zincirlerini tasarlamak. Üçüncüsü ise, bu zincirlerin gerçekten istenilen biçimi alıp almayacağını, proteini üretmeden önce bilgisayar ortamında doğrulamak.
Bu görevlerin ilki için, Dr. Baker ve meslektaşları RFdiffusion adlı bir yapay zekâ modelini kullanıyor. Bu model, bir proteinin yapısından işlevini tahmin ediyor ve görsel üretim yapan difüzyon modellerine benzer bir şekilde çalışıyor. Ancak fotoğraflar ve görseller yerine, 200.000’den fazla doğal proteinle eğitilmiş bir veritabanı kullanıyor. İkinci görevde ise ProteinMPNN adlı yine kendi geliştirdikleri bir araçtan faydalanılıyor. Bu model, amino asitlerin protein zincirlerinde ve diğer moleküllerle nasıl etkileşime girdiğine dair veri tabanlarına dayanıyor. Üçüncü görevdeyse RoseTTAFold adlı bir makine öğrenimi modeli devreye giriyor. Bu model, Baker’ın 1990’larda yazdığı yazılımlara benzer bir mantıkla çalışıyor. Bu yazılım öylesine etkili oldu ki, Alphabet’in milyarlarca dolarlık yatırımıyla geliştirilen AlphaFold’a ilham kaynağı oldu. AlphaFold’un yaratıcıları, 2024 yılı Kimya Nobel Ödülü’nün diğer yarısını kazandı.
Sanal ortamda bu aşamalardan geçen bir tasarım, uygun DNA’nın sentezlenmesiyle gerçek hayatta üretilebilir. Bu DNA bir bakteri ya da mayaya aktarılarak proteinin gerçekten işlevini yerine getirip getirmediği test edilebilir.
Fotosentezin yeniden tasarlanmasının yanı sıra IPD’deki araştırma ekipleri, zihin açıcı başka projeler üzerinde de çalışıyor. Bunlar arasında, zırh gibi birbirine bağlanabilen halka şeklinde protein liflerinden yapılacak yeni kumaşlar; kemik ya da sedef benzeri karmaşık hibrit organik-inorganik materyaller; PET gibi zor ayrıştırılan plastikleri parçalayarak onları faydalı kimyasallara dönüştürecek enzimler; ve molekülleri protein gözeneklerinden geçirerek kimliklerini tanımlayan çip tabanlı sensörler yer alıyor. Bu teknoloji DNA ve RNA için zaten kullanılıyor. Ancak Dr. Baker, bunun çok daha geniş bir madde yelpazesinde uygulanabileceğini ve böylece temelde yapay burunlar üretilebileceğini düşünüyor. Üstelik bu sadece tıbbi olmayan uygulamalarla sınırlı.
Sağlık alanındaysa olanaklar çok daha büyük. Enstitünün geliştirdiği covid-19 aşısı SKYCovione, SARS-CoV-2 virüsünün diken proteininin bazı kısımlarının sentetik kopyalarını bağışıklık sistemine tanıtarak çalışıyor. IPD araştırmacıları, yılan ısırıklarının tedavisini dönüştürmeyi umdukları proteinler de geliştirdi. Bu proteinler, şu anda kullanılan antikorlar gibi kandaki zehir moleküllerine bağlanıp onları etkisiz hale getiriyor; ancak daha küçük ve üretimi daha kolay.
Dr. Baker ve ekibi, Alzheimer hastalığını da benzer bir yaklaşımla hedef almayı planlıyor. Beyinlerdeki nöronal plakların ve yumakların moleküler öncüllerine bağlanacak proteinler üretmek istiyorlar. Ayrıca gen düzenleme alanında da gelişmeler amaçlanıyor. CRISPR-Cas kompleksindeki “Cas” kısmı, yani moleküler makas işlevini gören bölgeye odaklanarak, belirli DNA dizilerine bağlanacak özel nükleazlar tasarlanıyor. Bu, düzenlenebilecek DNA dizilerinin kapsamını artırabilir ve yanlış hedeflenen düzenlemelerin riskini azaltabilir.
Dr. Baker’ın önderliğini yaptığı bu alanda, başkaları da benzer yollara giriyor. Alphabet bünyesinde, AlphaFold’un Nobel ödüllü geliştiricilerinden Sir Demis Hassabis’in önderliğinde iki aktif protein tasarımı projesi yürütülüyor. Londra merkezli Isomorphic Labs, ilaç şirketleri Eli Lilly ve Novartis’le, ilaç adaylarının hedef proteinlerle etkileşimini test etmek üzere sözleşmeler yaptı. Diğer proje ise Google DeepMind tarafından geliştirilen AlphaProteo. Bu sistem, belirli hedeflere bağlanacak proteinleri tasarlamayı amaçlıyor.
Başka bazı şirketler ise biraz daha farklı bir yaklaşım benimsiyor. Kaliforniya’daki Profluent ve New York’taki EvolutionaryScale, görüntü üreten yazılımlar yerine sohbet robotlarının altyapısını oluşturan büyük dil modellerine benzeyen protein tasarımı yapay zekâ sistemleri geliştiriyor. Bu firmaların modelleri, protein zincirlerindeki amino asit dizilerini bir metindeki kelimeler gibi ele alıyor ve milyarlarca örnekteki ilişkileri analiz ederek yenilikçi, işe yarar yapılar tasarlıyor.
Profluent’in CEO’su Ali Madani’ye göre şirket özellikle yeni CRISPR-Cas gen düzenleme araçları geliştirmeye odaklanıyor. En büyük farkları, yaklaşık 5 milyon CRISPR-Cas protein kompleksinden oluşan özel bir veritabanı üzerinde modellerini eğitmiş olmaları.
EvolutionaryScale ise bu yaklaşımı daha da ileriye taşıyor. Geliştirdikleri ESM3 adlı model yalnızca amino asit dizisini değil, aynı zamanda proteinin yapısını ve işlevini de hesaba katıyor. Şirketin baş bilim insanı Alex Rives’a göre bu model, 2,8 milyar girdiden oluşan devasa bir veri tabanıyla eğitildi. Rives, yalnızca tek tek proteinlerle değil, bu proteinlerin birbirleriyle etkileşime girdiği sanal bir hücre modeli oluşturarak sistemin daha da ileri götürülmesini hedeflediklerini söylüyor.
EvolutionaryScale için bu modelin kendisi bir ürün; protein bazlı ilaç ve malzeme üretmeyi planlayan şirketlere lisanslanacak. Ancak alandaki birçok diğer şirket kendi yeniliklerini de kendileri geliştiriyor. Bu yeni nanoteknoloji yaklaşımının sonuçları henüz tam anlamıyla görünür değil. Örneğin fotosentezin yeniden tasarlanması, sadece biyoyakıt üretimini değil, mevcut bitkilerde uygulanabilir hale getirilirse, tarımsal verimliliği de ciddi şekilde etkileyebilir. Elbette güvenlik ve tüketici onayı gibi konular burada önemli rol oynayacaktır. Aynı zamanda, kimyasal süreçlerin verimi açısından da büyük iyileştirme potansiyeli taşıyor; çünkü birçok enzim, geleneksel katalizörlerden çok daha verimli çalışıyor. Ve her teknolojide olduğu gibi, henüz görülmemiş, beklenmedik atılımlar da olabilir.
Dr. Baker’ı özellikle heyecanlandıran fikirlerden biri, silikon çiplerdeki mantık kapılarının protein eşdeğerlerini üretmek. Bu kapılar hücrelerdeki gen ifadesini kontrol etmekte kullanılabilir. Uzun vadede, bu kapıların silikon muadillerine kıyasla 3 boyutlu dizilerde daha kolay üst üste dizilebileceğini ve böylece daha kompakt tasarımların yapılabileceğini düşünüyor. Bunun pratikte nasıl işleyeceği şu an için belli değil. Ama her ne şekilde olursa olsun, nanoteknolojinin ikinci perdesi artık açılmış gibi görünüyor.
