DNA'yı dizmek oldukça basit olaydır: Bir molekül vardır, ona bakarsınız ve bulduğunuzu yazarsınız. Bunun çok kolay olduğunu düşünüyorsunuz değil mi? Evet, zaten öyle. Sorun, bir DNA molekülüne bakıp, zincirindeki her bağlantının kimyasal kimliğini kontrol etmek değil, bu kimlikleri milyonlarca kez denetlerken aslında hiç hata yapmamaktır. Yani zor olan şey budur, fakat DNA'nın öyle bir doğası vardır ki, eğer doğru dizilimin sadece %95'ini elde ettiyseniz, hiçbir şey elde etmemiş de olabilirsiniz. Peki bilim insanları biyolojinin ayrıntılı şablonunu nasıl okuyor ve bunlarla modern tıp ve biyoteknolojinin büyük bir bölümünü nasıl inşa ediyorlar?

DNA Molekülünü Okuma

Eksiği gediğiyle hemen hemen her şey, Frederick Sanger adlı bir adamla başladı. Sanger, bir DNA molekülünü okumanın ustaca bir yöntemini keşfetti. Bu yöntemde dDNA (veya di-deoksi-ribonükleik asit) adı verilen DNA temellerinin (bazlarının) özelleştirilmiş bir türü kullanılıyordu. 'di' kısmı, dDNA bazlarının RNA bazlarında bulunan -OH takımlarının her ikisinden de yoksun olduğunu belirtirken, normal deoksi-ribonükleik asit (DNA) hâlâ bunlardan bir tanesine sahiptir. Normal DNAbazlarında bu tek -OH takımı, bir DNA molekül zincirinde bir sonraki bağlantı için bağlanma noktası olarak görev yapar. dDNA buna sahip olmadığı için, DNA'nın niteliksel zincirlerini oluşturamaz, bu yüzden büyüyen bir DNA ipliğiyle birleştikleri zaman, tüm zincir büyüme işlemlerini sonlandırırlar. Sander, dDNA bazlarını sahip olduğu bu eğilimden faydalanıp herhangi bir zincir uzatma işlemini durdurarak, zincirin dizilimini görebileceğini anladı.

Şimdi hızlı bir pratik yapalım: ATCG dizilimine sahip 4 bazlı bir DNA molekülümüz olduğunu düşünelim, fakat bu dizilimi bilmiyoruz ve bilmek istiyoruz. DNA'nın kendini kopyalamasını çok kolay bir şekilde sağlayabileceğimizi biliyoruz; serbet şekilde gezen DNA bazlarını çift sarmallara bağlayan enzimlerin varlığında, çift sarmal iki ayrı ipliğe "eriyene" kadar DNA'yı ısıtırsanız, daha önce bir tane bulunan yerde iki tane ayrı çift sarmal elde edersiniz. Fakat ya bu tek ipliklere bağlanmakta olan serbest gezen bazlar, sıradan DNA bazları ile "uçtaki" dDNA bazlarının bir karışımıysa?

Bu durumda, ışınır şekilde etiketlenmiş uç (terminal) dDNA bazlarımızın büyüyen zincirlerde son olarak nereye eklendiğine bağlı olarak, bir ürün karışımı elde ederdik. ATCG molekülümüz için, kopyalanan ipliklerden bazıları tam uzunlukta ve etiketlenmemiş olacaktır; yani hiçbir dDNA bazı eklenmemiş olacaktır. Fakat aynı zamanda bazı tek bazlı ipliklerin dDNA C bazında (sadece bir tek A-C baz çifti) sona erdiğini de görebilirdik. Ayrıca daha işlevsel olarak, etiketlenmiş bir G 'de sonlanan iki bazlı iplikler, etiketlenmiş bir T'de sonlanan üç bazlı iplikler ve etiketlenmiş bir A'da sonlanan dört bazlı ipliklerin bir karışımını da elde edebilirdik. Bu bize CGTA'nın ardışık bir okumasını verir, yani asıl tamamlayıcı sıralama ATGC olmuş olur.

Bununla beraber, bu işlemi otomatik hale getirmek bile, çağdaş tıp ve genetiğin gerektirdiği nüfus ölçeğindeki toplu çözümlemeyi sağlamak için çok yavaş kaldı. İşte burada "tek parça halindeki paralel dizilim" devreye girdi, buna bazen amiyane tabirle "saçma (av tüfeği saçmaları) yöntemleri" de denir. Bu söylem; temel olarak, eğer uzun bir DNA dizilimini daha küçük parçalara ayırırsanız, aynı anda hepsini okuyabileceğiniz fikrine gönderme yapar. Bu bölünmüş veriyi alıp bulmaca benzeri bir algoritma kullanarak, başlangıçta nasıl birbirlerine uyduklarını çözmek zorunda olduğunuz için, elinizdeki tüm örneğin çok ama çok fazla kopyasını okumak zorundasınız.

Solexa Deneyi

Bu "saçma yöntemlerinin" en ünlüsü muhtemelen Solexa idi, DNA'yı parçalayıp cam levhaya yapıştırmayı sağlamıştı. İşlem; tersine çevrilebilir uç (terminal) bazları kullanıyor. Bu bazlar, bilim insanları engeli kaldırmaya karar verip sıradaki bağlantının eklenmesine izin verene kadar zincir büyüme işlemini bir süreliğine geciktiriyor. Mutlak bir "ekle, oku, engeli kaldır" döngüsü; bilim insanlarının başka bir geçici uç bazının eklenmesine izin vermeden ve yeni bir görüntü almadan önce her birinin sonundaki bazı okuyarak milyonlarca parçanın bir görüntüsünü alabilmelerini sağlıyor.

Tek parça halindeki paralel dizilim, genom bilimi araştırmacıları için durumu değiştirdi, fakat bu adım; muazzam sıralama hızını çok daha uygun ve pratik yaparak halk sağlığında devrim yaratacak bu tekniklerden bile sonra geldi. Bunu sağlamak için yarışan birkaç girişim bulunuyor, fakat bunların hepsi, DNA kopyalama işlemini hepten gidermeye yelteniyorlar. Başka bir deyişle, DNA'nın enzimlerle olan karmaşık, zahmetli ve çok fazla zaman harcamayı gerektiren etkileşimlerine ihtiyaç duymadan, bir DNA molekülünü "doğrudan" okumak istiyorlar.

DNA Dizilim Teknolojisi

Bu yeni teknolojilerin en başarılısı, nanogözenek dizilimi. Bu yöntem aslında bir DNA ipliğini iletken bir malzemedeki bir gözenek içinden geçiriyor. Bazlar bu nanogözenek içinden geçtikçe, boyutlarının hafifçe farklı olması yüzünden gözeneği belli bir miktar esnetiyorlar ve gözeneğin üzerinde bulunan mekanik gerginlikteki bu değişim, elektrik iletkenliğinde bir değişime dönüştürülüyor. Bu diziciler, bir DNA ipliğinin bir gözenek üzerinden geçmesiyle meydana gelen iletkenlik değişimlerini okuyarak, eskiden kalma kopyalama tepkimelerini ortadan kaldırıyorlar.

Zamanla daha fazla DNA teknolojisinin icat edilip, elverişli olmayan ortamlarda çalışanlara veya hergün bir Solexa deneyini uygulayabilecek parası olmayan dünya çapındaki milyonlarca aile hekimine yardımcı olmasıyla, bu durum önemli hale gelecek. Dizilim teknolojisini geliştirmek birçok yeni araştırma kapısı açabilecek, ancak iyi sermayeli laboratuvarlar için dizilim için bulunan sınırlar zaten son derece yüksek. Bu noktada, daha yeni ve daha iyi dizilim teknolojisinin sahip olduğu anlam, şu anda fiziksel bilimlerin muhtemelen en yeni dalını demokratikleştirme gücünde yatıyor. Dizilimde meydana gelecek devrimler, yeni bilimsel keşiflere imkan tanıyabilir, fakat daha çok, bir süredir elimizde bulunan fikirlerin gerçek dünyadaki uygulamalarına olanak sağlayacaklardır.

Peki ya tıbbın sahip olduğu imkanlar hakkında okuduğunuz tüm şu makaleler ne olacak? Bunları gerçekleştirmek için, bu tür dizilim buluşlarının devam etmesi gerekecek. Fakat dünyadaki grafen ve süperiletkenlerden farklı olarak, dizilim teknolojisi neredeyse inkar edilemez bir şekilde amacına ulaşacak, üstelik yavaş da değil. Bu yüzden, sorulacak soru, "Daha fazla DNA'nın dizilimini nasıl yaparız?" olmaktan ziyade, "Bu dizilimleri mümkün olduğu kadar fazla insanın erişimine sunduğumuz zaman, onlarla ne yapabiliriz?" oluyor.
________________________________________
Kaynak: Graham T. "How DNA sequencing works", http://www.extremetech.com/extreme/214647-how-does-dna-sequencing-work