Biyomedikal Uygulamalar İçin Sentetik Biyoloji Yöntemleri ile Tüm Hücre Sensörlerinin Oluşturulması,

TÜBİTAK - AB COST Projesi , 2015 - 2018

Proje Türü: TÜBİTAK - AB COST Projesi
Başlama Tarihi: Eylül 2015
Bitiş Tarihi: Eylül 2018

Proje Özeti

Biyosensörler bir analit molekülün sıvı ya da gaz halinde saptanması amacı ile tasarlanmış analitik cihazlardır. Bu sistemleri diğer sensör sistemlerinden ayıran en önemli özellik tanıyıcı tabaka kısmı olarak biyolojik bir yapının kullanılmasıdır. Proteinler, enzimler, hücreler, antibadiler, virüsler gibi biyolojik elemanlar biyosensörlerin tanıcıyı tabakası adı verilen kısımları oluşturmaktadırlar. Bu moleküllerin en önemli özellikleri analit malzeme ile özgül bir etkileşime girebilmeleri ve bu ilişkinin bir optik-elektronik-voltametrik vs. çeviriciler aracılığı ile bir sinyale çevrilebilmesidir. Sunulmakta olan çalışmanın amacı, hücreler içerisinde sentetik gen devreleri meydana getirerek, herhangi bir çeviriciye gerek kalmadan hücrelerin analitleri nicel ve nitel olarak analiz edebilmelerini sağlamaktır. Oluşturulacak sensör hücre sisteminin aynı anda birden fazla analiti tayin edebilir olması hedeflenmektedir. Her bir analit için farklı bir cevap üretebilir olması sayesinde çoklu analiz yapabilmesi hedeflenmektedir. Canlı hücrelerin sensör olarak kullanılacak olmasından dolayı, bir kere tasarlandıktan sonra kendi kendini yenileyip üretebilen, modüler, hızlı sinyal üretebilen ucuz bir sensör sistemi ortaya konacaktır. Bu kapsamda oluşturulacak sensör sisteminin biyomedikal analizlerde kullanılacak bir sistem olarak tasarlanması hedeflenmektedir. Bu anlamda oluşturulacak sensör sisteminin iki farklı grup analit içim optimize edilmesi hedeflenmektedir: kan serumu örneklerinde ağır metal (arsenik, kadmiyum), üre-ürik asit, tayini. Son aşamada tüm bu analitlerin analizi amacı ile tek bir sensör hücre oluşturularak sentetik gen devreleri oluşturulması ve genetik mantık devreleri aracılığı ile bu sistemin oluşturulması hedeflenmektedir.

Biyosensör üretimi ve tasarımında en yaygın olarak kullanılan metod olan biyolojik malzemelerin tanıyıcı tabaka olarak kullanılmalarına alternatif bir yöntem bu çalışma kapsamında sunulmaktadır. Ticari olarak üretilmiş biyosensör mimarilerinin kendilerini yenilemeleri mümkün değildir. Hali hazırdaki biyosensör sistemlerinde tanıyıcı tabaka olarak kullanılacak biyolojik moleküllerin üretilmesi, saflaştırılması ve aktif bir halde tutulması gerekmektedir. Oysa bu çalışma kapsamında sunmakta olduğumuz fikirde, tüm hücre sensörlerinin en büyük avantajı düşük maliyetle üretilebilmeleri, ilk yatırım maliyetlerini kısa sürede amortise edebilecek kapasiteye sahip olmaları ve bir kere tasarlanıp-edilip üretildikten sonra tekrar tekrar kullanılabilecek olmalarıdır. Bu çalışma kapsamında ilk defa biyomedikal analizler açısından önemli analitlerin belirlenmesi ve miktar tayininin yapılması açısından çoklu analiz yapabilen bütünleşik tüm hücre sensörleri ele alınmaktadır. Oluşturulacak tüm hücre sensörlerinin cevap olarak gözle görülür kromofor proteinler üretmeleri sağlanarak doğrudan analize yer verilecektir. Sunmakta olduğumuz proje ilk defa sadece nitel değil nicel analizde yapılabilmesi hedeflendiğinden genetik mantık devreleri ile özgüllüğü artırılacaktir. Ayrıca, çalışmamıza özgünlük katan noktalardan birisi de literatürde yer alan tüm hücre sensörlerinden farklı olarak içerisinde yanlış (false signal) cevap oluşumunu engelleyecek bir riboregülatör sistem kullanılacak olmasıdır. Sistemin promotör bölgelerde kullanılacak farklı genetik anahtar tasarımları ve mutasyon deneyleri ile promotör hassasiyet ayarlamalarının yapılabilir olması da sistemi esnek kılması bakımdan özgün bir değer oluşturacaktır.

Canlı hücreler pek çok çevresel uyarıcıyı kolaylıkla algılamakta ve bir sinyal yolağı üzerinde bu sinyale göre cevap geliştirmektedirler. Bu cevap bazen toksik bir maddenin detoksifiye edilmesi amacı ile bir protein üretilmesi ya da diğer hücrelerle haberleşmek adına gönderilen bir molekülün algılanarak farklı bir faza geçmek için gen ekspresyonunu değiştirmesi gibi örneklerle anlatılabilir. Hücrelerin çevresel sinyalleri cevabı, örneğin toksik bir maddenin özgül olduğu bir promotör bölgeye bağlanarak belirli operonların açılıp/kapanmasına neden olmak şeklinde gerçekleşebilir. Bu çalışma kapsamında kendilerine sensör geliştirilmesi planlanan maddelerin hücreler içerisinde bağlandıkları promotör bölgelerin oluşturulması ve bu bölgelerin sonrasında (downstream) raportör kromofor protein eklenecektir. İlk aşamada optimize oluşturulacak gen devreleri (farklı promotörü güçleri, plazmit kopya numaraları, ribozom bağlanma bölgeleri, terminatör bölgeleri bakımından optimize edilmek üzere) E. coli hücreleri içerisine yerleştirilecektir. Devrelerin ilgili analitlerle etkileşimleri sonrasında cevap üretme performansları ticari insan kanı serumu içerisinde farklı hedef analitler eklenmek sureti ile test edilecektir.

Çalışma sonunda farklı analitlerin miktarını belirleyen bir tüm hücre sensör sistemi oluşturularak üretilen renkli raportörler ile gözle ve basit spektral okuma yapabilen optik aletlerle okunması hedeflenmektedir. Bu sistem kendini üretebilen ve tamir edebilen bir sistem olacağından sensör maliyetlerini oldukça düşürecektir. Bu teknolojinin tamamı Türkiye?de üretileceğinden dolayı oluşturulacak know-how ülke ekonomisine ve sağlık alanında yenilikçi teknoloji kullanımına destek olacaktır.