DNA KÜTÜPHANESİ

 

DNA Bir Bilgi Bankasıdır: Hücresel İşlevlerin Bilgisayar Analojisi Üzerinden Yeniden Değerlendirilmesi

Yazar: Dr. Erol Batı

Tarih: 03.02.2023

ÖZET

Moleküler biyolojinin klasik merkezi dogması, genetik bilginin DNA’dan RNA’ya, RNA’dan ise proteine aktarıldığını tanımlar. Bu model, biyolojik bilgi akışının temel çerçevesini açıklasa da, gen ifadesinin hangi mekanizmalarla başlatıldığı, çevresel sinyallerin nasıl işlendiği ve hücre içi karar mekanizmalarının nasıl organize olduğu konularında sınırlı kalmaktadır.

Modern biyolojide “sinyal”, “sinyal yolakları”, “hücresel iletişim” gibi kavramlar yoğun biçimde kullanılmasına rağmen, bu sinyallerin biyofiziksel ve bilgi işleme açısından ne ifade ettiği tam olarak açıklanamamaktadır. Bu makale, DNA’nın aktif karar verici bir yapıdan çok, hücre tarafından kullanılan pasif fakat son derece organize bir bilgi bankası olduğu görüşünü analitik bir bakış açısıyla tartışmaktadır.

Bilgisayar analojisi kullanılarak DNA’nın bir sabit disk veya arşiv sistemi gibi davrandığı; hücrenin ise işlemci, işletim sistemi, sensörler ve enerji altyapısından oluşan bütünleşik bir bilgi işleme sistemi olduğu ileri sürülmektedir. Bu yaklaşım, DNA’nın tek başına işlev gösterememesi, hücresel çevre olmadan gen ekspresyonunun gerçekleşememesi ve genlerin çevresel sinyallere bağımlı olarak aktive olması gibi deneysel gözlemlerle desteklenmektedir.

Bu makale mevcut biyolojik bilgilerin mühendislik/bilgi işlem analojisiyle yeniden yorumlanmış halidir.

1. Giriş

Merkezi dogma modeli:

biyolojik bilgi transferinin temel yönünü doğru biçimde tanımlar. Ancak bu model, bilginin ne zaman, hangi koşullarda ve hangi mekanizmalarla kullanılacağını açıklamakta yetersiz kalmaktadır.

Bir organizmadan izole edilmiş DNA molekülü, uygun hücresel ortam olmadan hiçbir fonksiyon gösteremez. Saflaştırılmış DNA; enerji üretimi, protein sentezi, sinyal algılama veya kendiliğinden gen aktivasyonu gerçekleştiremez. Bu durum, DNA’nın tek başına “aktif yaşam sistemi” değil, bilgi depolayan bir yapı olduğunu düşündürmektedir.

Bilgisayar mühendisliğinde de benzer bir durum vardır. Bir sabit disk veya flash bellek, içerisinde büyük miktarda veri taşımasına rağmen; işlemci, işletim sistemi ve enerji kaynağı olmadan hiçbir işlev gerçekleştiremez.

Bu analoji biyolojik sistemlere uygulandığında DNA’nın temel görevinin bilgiyi depolamak olduğu görüşü ortaya çıkar.

2. DNA’nın Bilgi Deposu Olarak Değerlendirilmesi

2.1 DNA = Sabit Disk / Veri Deposu

DNA, yüksek yoğunlukta bilgi depolayan biyolojik bir arşiv sistemidir. İnsan genomunda yaklaşık 3 milyar baz çifti bulunur ve bu yapı çok büyük miktarda biyolojik veriyi saklar.

Ancak depolanan bilginin varlığı, bilginin aktif olarak kullanıldığı anlamına gelmez.

Bir sabit diskte kayıtlı bir yazılım nasıl kendi kendine çalışmazsa, DNA üzerindeki gen bölgeleri de kendi kendine aktif hale geçmez. Gen bölgelerinin okunabilmesi için:

* transkripsiyon faktörleri,

* epigenetik düzenleyiciler,

* RNA polimeraz kompleksleri,

* enerji kaynakları,

* iyon dengesi,

* hücresel sinyaller 

gereklidir.

Bu nedenle DNA, kendi başına çalışan bir “işlemci” değil, erişildiğinde kullanılabilen büyük bir veri bankası olarak değerlendirilebilir.

3. Hücre: Biyolojik İşletim Sistemi

3.1 Hücre = Çalışma Ortamı

Bir bilgisayar sisteminde sabit disk tek başına yeterli değildir. İşletim sistemi, RAM, işlemci ve enerji altyapısı olmadan veri işlenemez.

Benzer şekilde DNA’nın aktif hale gelebilmesi için:

Bilgisayar Sistemi.      Hücresel Karşılık

Sabit Disk.                           DNA

İşlemci (CPU)              Ribozomlar ve enzim 

                                     sistemleri

İşletim Sistemi.            Sitoplazmik düzenleyici

                                     ağlar

RAM                             Geçici RNA havuzu

Veri Yolu.                      Hücre içi sinyal ağları

Enerji Kaynağı.            Mitokondri ve ATP üretimi

Sensörler.                    Reseptör proteinleri

Program Komutlar.     Transkripsiyon faktörleri

Bu organizasyon, hücrenin yalnızca kimyasal reaksiyonlardan oluşan pasif bir ortam olmadığını; organize bilgi işleyen dinamik bir sistem olduğunu göstermektedir.

4. Gen Aktivasyonu ve Sinyal Kavramı

4.1 Genler Kendiliğinden Açılmaz

Modern moleküler biyolojide gen ekspresyonunun çevresel ve hücresel sinyallerle düzenlendiği bilinmektedir.

Örneğin:

*  hormonlar,

*  büyüme faktörleri,

*  iyon değişimleri,

*  mekanik stres,

*  oksidatif stres,

*  sıcaklık değişimleri

 

belirli gen bölgelerinin aktive olmasına neden olabilir.

Bu durum, DNA’nın sürekli aktif çalışan bir sistem olmadığını; uygun koşullarda erişilen bir veri arşivi gibi davrandığını düşündürmektedir.

Bir bilgisayarda kullanıcı komutu olmadan bir programın çalışmaması gibi, DNA’da da uygun biyolojik tetikleyici olmadan gen ekspresyonu başlamaz.

5. Hücre Dışı DNA ve İşlevsizlik

5.1 İzole DNA’nın Pasifliği

Laboratuvar ortamında saflaştırılmış DNA, kendi başına:

*  protein sentezleyemez,

*  enerji üretemez,

*  gen ekspresyonu başlatamaz,

*  kendini organize edemez.

Bu durum, hücre dışındaki DNA’nın bilgisayardan sökülmüş bir sabit diske benzetilmesine neden olur.

Diskte veri vardır; ancak sistemi çalıştıracak işlemci ve işletim sistemi olmadığından veri kullanılamaz.

Ancak DNA tekrar uygun hücresel sisteme yerleştirildiğinde işlev kazanabilir. Klonlama deneyleri ve çekirdek transfer çalışmaları bunu destekleyen örneklerdir.

Örneğin John Gurdon tarafından gerçekleştirilen nükleer transfer deneyleri, farklılaşmış hücre çekirdeğinin uygun sitoplazmik ortamda yeniden programlanabildiğini göstermiştir. Bu durum, DNA bilgisinin kullanılabilmesi için hücresel çevrenin zorunlu olduğunu desteklemektedir.

6. RNA ve Bilgi Transferi

RNA, DNA üzerindeki genetik verinin işlenebilir forma dönüştürülmesinde görev alan dinamik bilgi taşıyıcısıdır.

DNA üzerindeki belirli gen bölgeleri aktive olduğunda:

1- Bilgi RNA’ya aktarılır.

2- RNA ribozomlara taşınır.

3- Ribozomlar uygun proteini sentezler.

4- Mitokondri ATP sağlayarak süreci destekler.

Bu süreç, bilgisayar sistemlerindeki veri aktarımına benzer biçimde düşünülebilir:

Bu yaklaşım, biyolojik sistemlerin yalnızca kimyasal reaksiyonlar zinciri değil, aynı zamanda organize bilgi işleme ağları olduğu fikrini desteklemektedir.

7. Tartışma

DNA’nın “aktif yaşam merkezi” olarak değerlendirilmesi birçok biyolojik soruyu açıklamakta zorlanmaktadır. Çünkü:

*  Aynı DNA farklı hücrelerde farklı şekilde çalışır.

*  Tüm genler aynı anda aktif değildir.

*  Hücresel bağlam değiştiğinde gen ekspresyonu değişir.

*  Çevresel sinyaller gen aktivitesini belirgin biçimde etkiler.

Bu nedenle biyolojik organizasyonu yalnızca DNA merkezli düşünmek yerine, hücreyi bütünleşik bir bilgi işleme sistemi olarak değerlendirmek daha açıklayıcı olabilir.

Bu yaklaşım epigenetik, hücresel sinyalizasyon ve sistem biyolojisi ile de uyumludur.

8. Sonuç

DNA, biyolojik sistemin merkezi veri deposudur. Ancak tek başına aktif bir yaşam sistemi değildir.

Uzun yıllardan beri bilim insanları aşağıdaki kaynakçadan da görüleceği üzere DNA'nın bir bilgi bankası olduğunu düşünmüşler ancak bunu dolaylı olarak ifade etmişlerdir. Bu sebeple DNA'nın sadece bir bilgi bankası olduğu fikri geri planda kalmıştır.

Bu makale DNA'nın bir bilgi bankası olduğunu temel alan ilk ve tek analitik çalışmadır.

DNA'nın bir bilgi bankası olduğu kabulü ile araştırmalar, DNA'nın iletişim sistemi üzerine yoğunlaşacak ve bugüne kadar "sinyal" " sinyal yolağı olarak tanımlanmış ancak niteliği açıklanamayan sinyallerin sadece DNA'da değil aynı zamanda tüm hücre bazında gerçek yapısı ortaya çıkabilecektir.

DNA’nın yalnızca bir bilgi bankası olarak değerlendirilmesi, hücre biyolojisinin daha sistematik ve mühendislik temelli yorumlanmasına katkı sağlayabilir.

Kaynaklar

1.  Molecular Biology of the Cell

2.  The Cell

3.  Lewin's Genes

4.  Francis Crick — Central Dogma of Molecular Biology

5.  Somatic Cell Nuclear Transfer

John Gurdon

6.  Epigenetics

7.  Systems Biology

8.  Gene Expression

9.  Signal Transduction