Hesaplamalı Biyoloji

Hesaplamalı biyoloji nedir?
Hesaplamalı biyoloji, canlılığın matematiksel modelleme, bilgisayar simülasyonları ve veri analiz teknikleri ile bilgisayar ortamında yaratılmasıdır. İnterdisipliner bir bilim olan ve oldukça geniş bir spektruma sahip hesaplamalı biyoloji, yoğun olarak biyoloji, organik kimya ve bilgisayar mühendisliği içerir.

Nereden çıktı hesaplamalı biyoloji?
Gelişen bilgisayar teknolojisi ile doğan hesaplamalı biyoloji 1990’larda bir bilim dalı halini aldı. Peki neden birileri çıktı ve canlıları canlı ortamlarda incelemek yerine bilgisayar modellerinde incelemek istedi? Bitki floralarını, hayvan faunalarını, bir örümceğin iç organlarını ve yaşam döngüsünü, bir tek hücrenin metabolizmasını ve karar verme yetisini ve hatta canlılığın yapıtaşı organik molekülleri kendi nişlerinde incelemek bize önemli bir takım bilgiler sağlar. Benzer gözlemleri in silico ortamda da yapabiliriz. Biyolojik sistemlerin işleyişini anlamak gözlem gerektirdiği kadar hesap ta gerektirir. Günümüzde, hesaplamanın dahil olduğu her noktada bilgisayar teknolojisi kullanıyoruz; haliyle bütün sistematik bakış açıları hesaplamalı biyolojiden faydalanıyor. Örneğin, nesli tükenmekte olan bir kuş türünün yaşam döngüsünü bilgisayar ortamında modellersek türün kaç bireyini doğal yaşam ortamına bıraktığımızda neslin devamı için yeterli olacağını hesaplayabiliriz. Veya, bir koyun su altı faunasını bilgisayar ortamında modellersek, dışardan gelmiş istilacı bir yosun türünün koydaki canlılığı nasıl etkiyeceğini hesaplayabilir, olası önlemleri in silico ortamda hızlıca test edebiliriz. Konu canlı sistemler olunca aslında modelleme teknikleri arasında çok büyük farklılıkların olmadığını görüyoruz. Yukardakine benzer bir modellemeyi, istilacı tümör hücreleri (metastaz yapan malign tümör hücreleri) için de gerçekleştirebiliriz. Bu tür modellerin kanser tedavisinde önemli rolü vardır. Canlı davranışları yerine molekül davranışlarını koyarsak, organik moleküllerin doku içindeki şekillerini, hareketlerini ve tepkilerini de bilgisayar ortamında modelleyebiliriz.

30 yıl önce çok basit hesaplarla doğan hesaplamalı biyoloji, günümüzde sık kullanılan ve yıldızı parlayan bilimlerden biri oldu. 2013 Kimya Nobel ödülünü hesaplamalı biyoloji alanındaki “Development of Multiscale Models for Complex Chemical Systems” (Karmaşık kimyasal sistemler için çok ölçekli modellerin geliştirilmesi) çalışmasıyla Martin Karplus, Michael Levitt, ve Arieh Warshel aldı.

Hesaplamalı biyoloji ne işimize yarar?
Canlılığın pek çok öğesini bilgisayar ortamında modelleyebiliriz. Bu modellere sahip olmak, sistemin davranışlarını tahmin edebilmemizi sağlar. Örneğin, insan beyni hakkında farklı bilim dalları (görüntüleme, fizyoloji, hücre biyolojisi, nörokimya, psikiyatri vb.) kendi teknikleriyle analizler yapar. Bilimadamları hesaplamalı biyoloji yardımı ile bütün bu bilgiyi bir araya getirip beyin modelini çıkarma çalışmalarına devam ediyor. Böyle bir sistem bilgisine sahip olmak nörobiyolojide mümkün olmayan pek çok şeye izin verecektir.

Hesaplamalı biyolojinin, bölümümüzde de uygulanan dalı moleküler modellemedir. Organik moleküller, 3 boyutlu uzayda milyarlarca farklı şekil alabilir. Oysa fizyolojik ortamda bir organik molekülün (yağ, DNA, protein vs.) aldığı bir veya bir kaç kararlı şekil vardır. Şekil (3 boyutlu yapı) moleküler dünyada işlevi belirlediği için bilinmesi son derece önemlidir. Gen sekansından yola çıkarak proteinlerin birincil, ikincil, üçüncül ve dördüncül yapısını tahmin edebiliriz (aşağıdaki görsel). Molekülün kimyasal özelliklerini, su ile etkileşimini, X-ray bilgisini vs. kullanarak hücre içindeki 3 boyutlu yapısını ve protein dinamiğini (hareketini) hesaplayabiliriz. Moleküler hareketlerin ve etkileşimlerin anlaşılması, hücrenin canlılığının anlaşılması için gereken adımlardan biridir.

prt yolu

Elde edilen biyokimyasal, yapısal biyoloji ve hesaplamalı biyoloji bilgilerinin ışığında hazırlanan bu video, nöronlarda protein paketlenmesi hakkında bize çok şey anlatmaktadır.

Protein hareketlerinin simülasyonu, tedavi hedefi olabilecek pek çok hastalığın mekanizmasını iyi tanımlamamıza izin verir. Örneğin burada, kızıl virüsünün hücre içine entegrasyonunun simülasyonunu görebiliriz.

İş hayatında hesaplamalı biyoloji
Protein yapılı enzimlerin 3 boyutlu şekillerinin bulunması uygulamaya ilaç dizaynı olarak yansır. Kuantum kimyasının da yardımıyla, ilaç moleküllerinin 3 boyutlu yapısı bilinen hedef enzimlerle nasıl, ne şekilde hangi güçte etkileşeceğini, ve hücre zarından geçip geçemeyeceğini hesaplayabiliriz. Bunu bilinen moleküller için yapabileceğimiz gibi, yeni ilaç molekülleri bulmak için de yapabiliriz. Islak labda dizaynı, sentezi ve hedef enzim ile denenmesi yıllar alan ilaç adayı molekülleri hesaplamalı biyoloji yardımı ile sadece bir kaç günde in silico ortamda deneyebiliriz. Ya da hedef olarak belirlenmiş yeni bir enzime karşı, bilgisayar ortamında, enzimin istediğimiz bir bölgesine istediğimiz kuvvette, istediğimiz spesifisitede bağlanacak ilaç molekülleri tasarlayabiliriz.

İlaç dizaynı uzun ve zahmetli bir iştir. 10 milyardan fazla aday molekül ilaç olarak denenmeye başlar. Bunlardan sadece bir kaç tanesi kimyasal testler, hayvan testleri ve klinik testleri geçerek ABD’de FDA’ya ilaç olarak sunulur. Bir molekülün ilaç olarak kullanıma geçmesi için etkinliğinin yüksek, yan etkilerinin düşük olması, damardan ve hücre zarından geçerek hedefe ulaşabilmesi gerekir. Kriterleri sağlayan molekül sayısı oldukça sınırlıdır. Örneğin FDA 2013 yılında sadece 18 yeni molekülün ilaç olarak kullanılmasına izin vermiştir. 10 milyar aday molekülün tamamının kimyasal olarak sentezlenmesi ve hayvanlar üzerinde denenmesi aşırı mali yük ve zaman gerektirdiği için mümkün değildir. Günümüz teknolojisi ile hesaplamalı biyoloji teknikleri ilaç adaylarını ön elemeden geçirip büyük oranda maliyeti düşürmekte ve ilaç bulma sürecini hızlandırmaktadır. Bununla kalmayıp hesaplamalı biyoloji araçlarını kullanarak ilaç adayının diğer moleküllerle etkileşimini ve olası yan etkilerini hesaplayabiliriz. Bu, pek çok yan etkili molekülün hayvan deneylerine kadar çıkmasını engeller.

İlaçların yan etkilerinin çok iyi taranmış olması gerek. Gözden kaçan en ufak bir kimyasal etkileşim korkunç sonuçlar doğurabilir. Örneğin 1960’larda gebelere sabah bulantılarına karşı verilen Thalidomide’in fetüsün kol ve bacak gelişimini engellediği, ancak çocuklar doğduktan sonra fark edilen bir yan etki olmuştur (Aşağıdaki şekil). Artık böyle ihtimaller, hesaplamalı biyoloji safhasında ortadan kalkmaktadır.

thalidomide

Yine benzer biçimde, kanser ilaçları son yarım asırda büyük gelişme göstermiştir. 40 yıl önce piyasada olan kanser ilaçları ile şu an kullanılan ilaçlar arasında etkinlik ve yan etki bakımından ciddi bir uçurum bulunmaktadır. İlaç dizaynındaki önemi sebebi ile, hesaplamalı biyoloji uzmanları ilaç şirketleri ve temel eczacılık bilimleriyle ilgilenen enstitülerin vazgeçilmez elemanlarıdır.