TOBB ETÜ’nün ABD’den İki Üniversiteyle Birlikte Yaptığı Ortak Çalışma Dünyaca Ünlü Nature Nanotechnology Dergisinde Yayımlandı

TOBB ETÜ Mühendislik Fakültesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi Dr. Ersin Emre Ören ve yüksek lisans öğrencileri Büşra Demir ile Sümeyye Gökce’nin içinde bulunduğu uluslararası araştırma grubunun çalışmaları 5 Kasım 2018 tarihinde ‘Detection and identification of genetic material via single-molecule conductance’ başlığıyla Nature Nanotechnology dergisinde yayımlandı. [1]

TOBB ETÜ, ABD California (Davis) ve Washington (Seattle) Üniversitelerinden araştırmacılar, gıda zehirlenmelerine yol açan (‘Shiga’ zehiri üreten) E. Coli bakteri türlerinin belirlenmesi üzerinde çalışarak, E. Coli’nin hem varlığını hem de türlerinin saptanabileceğini gösterdi.  Dr. Ören, Nature Nanotechnology dergisinde yayımlanan bu çalışmanın önemini “Atomik düzeyde elektrotlar kullanarak ölçülen elektrik akımlarındaki picoamper (amperin trilyonda biri) düzeyindeki değişimlerin analizi ile, attomolar (moların milyarda birinin milyarda biri) ölçeğinde DNA/RNA derişimine sahip çözeltilerde, genetik dizilimlerdeki tek bir baz değişimini (mutasyonu) bile belirleyebilen bir teknik geliştirildi.” diyerek açıkladı.

TOBB ETÜ Mühendislik Fakültesi Biyomedikal Mühendisliği Biyonanotasarım Laboratuvarında. (Soldan sağa: E. Candaş, B. Demir, C. Akın, E. E. Ören, S. Gökce, G. Gökçe ve H. T. Yener)

TOBB ETÜ Mühendislik Fakültesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi Dr. Ersin Emre Ören

Dr. Ersin Emre Ören çalışmayı şöyle özetledi:

“Moleküler elektronik en kısa şekli ile tek tek moleküllerin devre elemanları olarak kullanılabileceği ve halen gelişim aşamasında olan bir teknolojidir. Tek bir molekülden geçen elektrik akımlarının ölçülebilmesi 2000’li yılların başında mümkün hale geldi. [2]  Bu çalışmada, bu teknikleri RNA:DNA sistemine uygulayarak genetik maddenin tanımlanması için moleküler elektronik tabanlı bir biyonanoalgılayıcı kavramı geliştirildi. Bunun için öncelikle, E. Coli bakterilerinin genetik dizilimleri incelenerek Shiga zehirini kodlayan mesajcı RNA (mRNA) bölgeleri tespit edildi. Daha sonra ise, bu bölgeler ile hibridize olabilecek tek zincirli DNA probları (bir nevi olta) belirlenerek üretildi.”

Dr. Ören, üretilen DNA problarının her iki ucuna tiyol (SH) grupları eklenerek altın elektrotlara bağlanabilme özelliğinin de sağlanmış olduğunu belirterek “Bu DNA probları, genetik madde içeren çözelti içerisine eklenerek, eğer çözelti içerisinde varsa, eşlenikleri (Shiga zehirini kodlayan mRNA zinciri) ile hibridleşmeleri sağlandı. Daha sonra, çözelti içerisinde oluşan RNA:DNA sarmalından altın elektrotlar yardımı ile akım geçirilip, RNA:DNA sarmalının iletkenliği 21 nS (nanoSiemens) olarak ölçüldü. Sonuç olarak, 25-30 baz çiftine kadar uzunluklara sahip ikili sarmalın iletkenliğinin ölçülebileceği kavramı ispatlanmış oldu ve bu yöntemi kullanarak yeni teknolojik uygulamaların mümkün olup olmadığını araştırmaya başladık. Bu yöntemin gerçekçi bir biyonanoalgılayıcı teknolojisi haline gelebilmesi için, hem çözelti içerisindeki hedef RNA diziliminin diğer olası RNA dizilimlerinden ayırabilmesi hem de hedef RNA miktarı çok az olsa bile belirleyebilmesi gerekiyordu. Öncelikle, yapılan titrasyon deneyleri sonucunda hedef RNA miktarının (derişiminin) attomolar (moların milyarda birinin milyarda biri) ölçeğinde olması durumunda bile tespit edilebileceği belirlendi. Bu teknolojik olarak çok yüksek bir hassasiyet anlamına geliyor. DNA:RNA hibridizasyonu RNA sekansında mutasyon olması durumunda da oluşabilmekte, bu durumda yapılan ölçüm sonucunda sadece hedef RNA sekansının belirlendiğinden emin olunması gerekir. Sistemin ayırıcılığının test edilmesi için hedef RNA’dan sadece bir tek baz farkı olan sistemler üretilerek moleküler iletkenlik testleri gerçekleştirildi. Deneyler sonucunda, birbirleri ile sadece tek bir bazda farklı olan RNA:DNA sarmallarının farklı iletkenlik sonuçları verdiği belirlenerek; bu sistemin tek bir mutasyona bile duyarlı bir şekilde çalıştığı saptandı” dedi.

RNA:DNA hibrid baz dizilimi

DNA:RNA üzerinde elektrik iletkenliği ölçümü

Bu sistemin çalışma prensiplerinin tam olarak anlaşılabilmesi için elektronların RNA:DNA sarmalı boyunca nasıl iletildiklerinin fiziksel temellerinin de belirlenmesi gerektiğini, bunun için yüksek hesaplama gücüne sahip bilgisayarlar kullanarak, öncelikle moleküler dinamik yöntemleri ile RNA:DNA sarmalının moleküler yapısının ortaya çıkarıldığını, kuantum mekaniği (yoğunluk fonksiyonları teorisi) metodu ile elektronların moleküler yapılar içerisindeki dağılımlarının ve iletim özelliklerinin hesaplandığını söyleyen Dr. Ören, sonuç olarak deneylerde gözlemlenen davranışların nedenlerinin, yapılan bilgisayar simülasyonları ile açıklanabildiğini kaydetti.

Farklı RNA:DNA hibridlerinin moleküler yapıları, mutasyonlar yeşil bölgeler ile belirtilmiştir.

Bu bulguların, her bilimsel buluş sonrasında olduğu gibi farklı bilim insanlarınca da test edilip, doğrulanıp, eksik ya da yetersiz kalan yönlerinin ortaya çıkarılacağını, bunlara da zamanla çözümler geliştirileceğini ekleyen Dr. Ören; “Sonuç olarak, bu buluşumuzun, hastalık yapıcı bakteri ve virüs türleri ile kanserli hücrelerin hızlı ve hassas bir şekilde belirlenebilmesi amacıyla kullanılarak, insan ve toplum sağlığına katkı sağlayacağını düşünüyoruz” dedi.

Dr. Ersin Emre Ören; E. Coli’den başka bakteri ve virüslerin saptanabilmesi için de yeni DNA probları tasarımları üzerine çalışmaya devam edeceklerini, TOBB ETÜ Biyonanotasarım Laboratuvarında genetik maddenin elektriksel özelliklerini kullanabilen yeni DNA-tabanlı transistör ve bellek teknolojileri üzerine de çalışmak istediklerini ifade etti.

Makale dünya bilim haberciliğinin de gündeminde

TOBB ETÜ, California (Davis) ve Washington (Seattle) Üniversitelerinden araştırmacıların gerçekleştirdiği bu çalışma ile ilgili haberler dünya çapında bilim haber mecralarında yayımlanmaya başladı. Ayrıca, Nature Nanotechnology dergisi, bu buluş sayesinde hayatımıza girebilecek bilimsel ve teknolojik yenilikleri anlatan ek bir makale daha yayımlayarak buluşun önemine dikkat çekti. [3]

Makalenin haberleştirildiği bazı bilim mecraları şunlar; Eurekalert, PhysOrg, Science Daily, Technology Networks, Bioscience Technology, What’s New in Food Technology & Manufacturing, PressCute, Nanowerk, Space-Science ve Daily Science.

Genetik Madde

DNA ve RNA’nın oluşturduğu genetik madde canlılarda kalıtımın temel taşlarını oluşturur. Bu genetik maddenin tespit edilmesi ve baz dizilimlerinin belirlenmesi, hastalık yapıcı virüs ve bakteriler (patojenler) ile kanserli hücrelerin doğru bir şekilde tespit edilmesini sağlar. Bu konu, klinik araştırmalar, genetik mühendisliği, adli tıp, hayvan ve bitki patolojisi, gıda güvenliği ve biyo-güvenlik gibi alanlarda çok büyük bilimsel ve teknolojik öneme sahiptir.

Biyonanoalgılayıcılar

Biyoteknoloji ve nanoteknolojideki ilerlemeler ile birlikte genetik bilgiyi hızlı ve yüksek hassasiyetle tespit edebilecek yeni yöntemler (biyonanoalgılayıcılar) geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bu teknolojilerin yaygın kullanıma geçerek hayatımızda yer alabilmeleri için, hem hızlı hem de çok hassas (düşük derişimlerde) ve seçici (mutasyonları belirleyebilen) ölçümler yapabilmesi ve aynı zamanda da ucuz ve erişilebilir olmaları gerekmektedir.

Mikroorganizmalar, günümüzde, ürettikleri epitopların (proteinler) veya doğrudan genetik dizilimlerin belirlenmesi olmak üzere iki ana yöntemle tespit edilebilmektedirler. Genetik dizi bilgisinin elde edilmesi her zaman çok daha hassas ve doğru sonuçlar vermesine rağmen, bu bilgiye ulaşım zahmetli ve pahalı hücre kültürleri ve PCR-tabanlı (Polimeraz zincir reaksiyonu) çoğaltma tekniklerini gerektirir.

Bu makale kapsamındaki çalışmalar, kısmen TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi ile Türkiye Bilimler Akademisi (TÜBA GEBİP) tarafından desteklenmiştir.

Springer Nature SharedIt tarafından ücretsiz erişim sağlanan makaleye buradan ulaşabilirsiniz.

Dr. Ersin Emre Ören ve çalışmalarına ilişkin daha fazla bilgiye buradan ulaşabilirsiniz.

Kaynakça

[1] Y. Li, J. M. Artés, B. Demir, S. Gokce, H. M. Mohammad, M. Alangari, M. P. Anantram, E. E. Oren & J. Hihath “Detection and identification of genetic material via single-molecule conductance” Nature Nanotechnology, (2018).

[2] B. Xu & N. J. Tao “Measurement of single-molecule resistance by repeated formation of molecular junctions” Science 301, 1221–1223 (2003).

[3] D. Bouilly “Detecting short RNA sequences of pathogens” Nature Nanotechnology, (2018). https://www.nature.com/articles/s41565-018-0303-z.