Bu görüntü tek bir komensal bakterinin transmisyon elektron mikroskop (TEM) görüntüsüdür, E. coli Nissle 1917, gazla kaplı protein nanostructures gaz vezikülleri olarak bilinir bu özelliği ifade etmek için genetik mühendisliği yapılmıştır. Hücrenin uzunluğu yaklaşık 2 mikrometredir ve içinde bulunan daha açık renkli yapılar bireysel gaz veziküllerdir.
Kaynak: Anupama Lakshmanan / Caltech
Yıl 1966’da bir bilim kurgu filmi olan Fantastic Voyage’da, denizaltı küçültülerek, ( Şu Marvel’in ünlü Ant-Man’i gibi )bir bilim adamının bedenine enjekte edilmişti. Filme konu olan bu olayda yapılmak istenen, beyindeki bir kan pıhtısını ortadan kaldırmaktı. Böyle şeyler insana bilim kurgu gibi gelse’de günümüzde, Caltech araştırmacıları bunun gibi insana absürt gelen çalışmalarda ilerleme kaydediyor: Araştırmacılar ilk defa, ses dalgalarını yansıtabilme yeteneğine sahip bakteriyel hücreler yarattı, bir denizaltının, konum belirlemede kullandığı sistem gibi,
Nihai hedef, bir hastanın vücuduna terapötik bakteriler enjekte edebilmektir. Örneğin bağırsak hastalıklarını tedavi etmek için ya da hedeflenen tümör tedavileri için probiyotikler gibi, daha sonra ses dalgalarını yansıtabilme özelliğine sahip genetik mühendisliği ürünü bakterileri tespit etmek için, ultrasonik makineler kullanılarak mikroorganizmaların yerlerini gösteren görüntüler üretirler. Bu görüntüler, tedavilerin vücudun doğru yerinde olup olmadığını ve düzgün çalışıp çalışmadığı konusunda doktorların bilgisine sunulur.
Mikrohail Shapiro, “Bakteriyel hücrelere mühendislik teknikleri ile yeniden düzenliyoruz, böylece ses dalgalarını bize geri gönderebiliyorlar ve bir gemi arıyor gibi onların konumlarını bize bildirebiliyorlar” diyor.
Araştırmacı. “Bakterilere, ‘Neredesin ve nasılsın?’ Diye sormak istiyoruz. İlk adım, hücrelerin görselleştirilmesini ve bulunmasını öğrenmek ve bir sonraki adım ise onlarla iletişim kurmaktır. “
Bakterileri tıbbı olarak kullanma fikri yeni değildir. Probiyotikler, bağırsak koşullarını, örneğin irritabl bağırsak hastalığı gibi tedavi etmek için geliştirildi ve bazı erken çalışmalar, bakterilerin kanser hücrelerini hedeflemek ve yok etmek için kullanılabileceğini gösterdi. Ancak, bu bakteri hücrelerini görselleştirmenin yanı sıra onlarla iletişim kurmak, hem de vücutta olup bitenler hakkında bilgi toplamak ve bakterilere bir sonraki adımda ne yapılacağı hakkında talimat vermek, ne yazık ki, henüz mümkün değildir. Işık üzerinde çalışan görüntüleme teknikleri yeşil floresan proteini kodlayan bir “raportör gen” ile etiketlenen hücrelerin resimlerinin çekilmesi gibi, yalnızca vücuttan alınan örneklerde çalışılıyor. Bunun nedeni, ışığın bakteri hücrelerinin bulunduğu bağırsak gibi daha derin dokulara nüfuz etmemesi.
Shapiro, ses dalgaları vücutta daha derine inebileceği için bu sorunu ultrason teknikleriyle çözmek istiyor. Yaklaşık altı yıl önce, organizmaların yüzmesini düzenleyen su barındıran bakteri hücrelerinde bulunan gaz dolu protein yapıları öğrendiğinde bir eureka (Şu ünlü Arşimet sözü ) anı yaşadığını söyledi. Shapiro, gaz vesikülleri adı verilen bu yapıların ses dalgalarını onları diğer hücrelerden ayırt edebilecek şekilde geri yansıtabileceğini önermektedir. Nitekim Shapiro ve meslektaşları gaz vesiküllerinin, diğer fare dokularındaki ultrasonla görüntülenebildiğini gösterdiler.
Ekibin bir sonraki hedefi, suda yaşayan bakterilerilerden gaz vesikülleri üretmek için gerekli genleri, probiyotikler gibi mikrobik tedavide yaygın olarak kullanılan farklı türde bir bakteri olan Escherichia coli’ye aktarmaktı.
Shapiro, E. coli bakterilerine gaz vezikülleri kendileri üretmelerini istediklerini söyledi. “Gaz vesiküllerinin potansiyelini fark ettiğimizden beri bunu yapmak istiyordum, ancak yol boyunca bazı barikatlara kapıldık, nihayet sistem çalışmaya başlayınca çok mutlu olduk” dedi.
Ekibin değindiği zorluklardan biri, gaz ve biçimli hücreler için genetik makinelerin E. coli’ye aktarılmasını içeriyordu. İlk önce Anabaena flos-aquae denilen su barındıran bir bakteriden izole edilmiş gaz-vezikül genlerini aktarmaya çalışıyorlardı, ancak bu işe yaramadı. E. coli vezikülleri yapamadı. Bacillus megaterium adı verilen bir bakteri olan E. coli’den daha yakın bir akrabadan alınan gaz-vezikül genleri kullanarak tekrar denediler. Bu da başarılı olamadı, çünkü ortaya çıkan gaz veziküllerin ses dalgalarını verimli bir şekilde dağıtmak için çok küçük oldukları anlaşıldı. Son olarak, ekip her iki türün genlerini karıştırmayı denedi ve nihayet işe yaradı. E. coli gaz veziküllerini tek başına üretti.
Gaz vezikül genleri, nihai vezikül yapısını oluştururken tuğlalar ya da vinçler gibi davranan proteinleri kodlar bazı proteinler, veziküllerin yapı taşlarıdır; bazıları ise, yapıların asıl montajında yardımcı olurlar.
Bourdeau, “E. coli’nin gaz vezikülleri yapabilmesi için Aslında, Anabaena flos-aquae’den tuğlalara ve Bacillus megateriumdan gelen vinçlere ihtiyacımız olduğunu bulduk” diyor.
Ekip yaptığı sonraki denemeler ile, mühendislik yapılan E. coli’nin gerçekten ultrason kullanılarak farelerin içinde görüntülenebileceğini ve yerleşebileceğini gösterdi.
Shapiro, “Bu, ultrason görüntülemede kullanılan ilk akustik muhabir genidir” diyor.
“Ufak floresan proteininin, daha önce mümkün olmayan yollarla hücrelerin görüntüsünü gerçekten devrimselleştirmek olan ışık temelli görüntüleme teknikleri için yaptıklarının ultrason için yapacağını umuyoruz.”
Araştırmacılar, teknolojinin hayvanlar üzerinde araştırma yapan bilim insanları tarafından yakında kullanılması gerektiğini, ancak insanlarda kullanım yönteminin geliştirilmesi için daha uzun yıllar süreceğini belirtti.
“Memelilerde mikropların noninvazif görüntülemesi için akustik muhabir genleri” başlıklı Nature çalışması, Ulusal Sağlık Enstitüleri, Kanada Sağlık Araştırma Enstitüsü, Burroughs Wellcome Fonu, Packard Kardeşliği, Pew Bursu, Miras tarafından finanse edildi. Tıp Araştırma Enstitüsü, Ulusal Bilim Vakfı ve Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi. Diğer Caltech yazarları arasında araştırma teknisyeni Audrey Lee Gosselin, lisansüstü öğrencileri Anupama Lakshmanan, Arash Farhadi, Sripriya Ravindra Kumar ve eski lisans öğrencisi Suchita Nety (BS ’17) bulunur.
Kaynaklar ve İleri Okuma:
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/01/180103132740.htm
Araştırma Referansı : Raymond W. Bourdeau, Audrey Lee-Gosselin, Anupama Lakshmanan, Arash Farhadi, Sripriya Ravindra Kumar, Suchita P. Nety, Mikhail G. Shapiro. Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts. Nature, 2018; 553 (7686): 86 DOI: 10.1038/nature25021
Bu makaleyi 5 dakikada okuyabilirsiniz.
Moleküler Biyoloji ve Genetik
