Doğa, canlı hücrelerle yapı inşa etme sanatını milyarlarca yıldır mükemmelleştiriyor. Bir araştırma ekibi şimdi bu süreçten ders alıyor ve onu hızlandırmanın yollarını arıyor.
Glasgow Üniversitesi'nden biyomühendislik profesörü Massimo Vassalli'nin hedefi, yalnızca canlı dokuların nasıl oluştuğunu anlamak değil, aynı zamanda laboratuvarda nasıl yeniden yaratılabileceklerini keşfetmek.
Vassalli, 2027'ye kadar sürecek beş yıllık AB fonlu PRISM-LT projesinin bilimsel koordinatörü. Ekip, biyomedikal araştırmalardan yapay ete kadar çeşitli alanlarda kullanılabilecek karmaşık canlı dokular oluşturmak için bir 3D biyobaskı platformu geliştiriyor.
Projenin kalbinde neredeyse bilimkurgu gibi gelen bir kavram var: mühendislik ürünü canlı malzemeler (ELM). Bunlar, kısmen veya tamamen canlı hücrelerden (bakteri veya mantar gibi mikroorganizmalar dahil) yapılan, çevrelerine uyum sağlayabilen, büyüyebilen ve tepki verebilen malzemeler. ELM'ler, geleneksel statik malzemelerin yapamadığı şekilde kendi kendini organize edebilir ve onarabilir.
Vassalli, "Mühendislik ürünü canlı malzemeler, geleneksel statik malzemelerde asla kopyalayamayacağımız ek ve dinamik özelliklere sahip olabilir" dedi.
ELM'ler sağlıktan gıda üretimine kadar birçok sektörü dönüştürebilir. Ancak bu potansiyeli gerçeğe dönüştürmek, zorlu bir biyolojik sorunu çözmek anlamına geliyor: canlı hücreleri öldürmeden veya gelişimlerini kontrolü kaybetmeden karmaşık yapılar halinde nasıl basabiliriz?
PRISM-LT ekibi bu sorunu, canlı hücreler ve biyomürekkep adı verilen jel benzeri bir iskele malzemesi içeren minik kapsüllerden canlı dokular inşa ederek çözüyor.
Proje koordinatörü ve İtalya'nın Udine kentindeki In Society araştırma kuruluşunun CEO'su Laura Martinelli, "Sürekli bir biyomürekkep akışı basmak yerine, kapsüllenmiş canlı yapı taşlarıyla çalışıyoruz" diye açıkladı. "Bu kapsüller, robotik bir kol tarafından hassas bir şekilde konumlandırılabilir veya karmaşık doku mimarileri oluşturmak için katman katman biyobasılabilir."
Geleneksel yöntemler, hücreleri canlı mikroorganizmaların sağlayabileceği biyolojik rehberlik olmadan sürekli bir malzeme akışı içinde basar. Burada her kapsül, hem iskeleyi hem de hücrelerin gelişimini yönlendirmeye yardımcı olan mühendislik ürünü mikropları taşıyan biyolojik bir birimdir.
Bu mikroplar, biyolojik kılavuz görevi görecek şekilde genetik olarak tasarlandı. Kök hücreler (birçok farklı doku tipine dönüşebilen hücreler) dönüşmeye başladığında bunu algılıyor ve büyüme faktörleri olarak bilinen kimyasal sinyaller salgılayarak onları istenen doku tipine yönlendiriyor.
Üretim süreci hızlıdır; birkaç dakikadan bir saate kadar sürer. Ardından daha yavaş bir süreç başlar: yaklaşık üç haftalık bir olgunlaşma dönemi. Bu süre zarfında kök hücreler kemik, yağ veya kas dokusuna dönüşür. Ekip şu anda yaklaşık bir santimetrekarelik ince doku üretebiliyor ve bir santimetreküplük blok üzerinde çalışıyor.
Bu işi özellikle zorlaştıran şey, doğal olarak aynı ortamda bir arada bulunmayan canlı bileşenleri bir araya getirme gerekliliğidir.
Vassalli, "Maya ve kök hücreler gibi birlikte yaşamak için yaratılmamış iki sistem arasında simbiyotik bir ilişki kurmamız gerekiyor" dedi. "Asıl zorluk, hem maya veya bakteriler hem de farklılaşma sürecindeki kök hücreler için yeterince iyi koşullar yaratmak."
Biyolojik etkileşime duyulan bu merak, projenin çıkış noktasıydı. Vassalli, "Bu araştırmaya bu etkileşim hakkında meraklı olduğumuz için başladık" dedi. "Özünde, evrim de böyle gerçekleşti. Tek hücreli organizmalar etkileşime girdi ve bugün bildiğimiz doğaya dönüştü."
Araştırmacılar iki spesifik doku tipini yeniden oluşturmak için çalışıyor. Bunlardan biri, biyomedikal araştırmalar için kemik iliğinde bulunan kemik ve yağ dokusu arasındaki ara yüz. Diğeri ise gerçek ete dokusunu ve lezzetini veren yağ çizgilerini taklit eden kas-yağ yapıları; bu özellik, laboratuvar ortamında üretilen et için uzun süredir ulaşılamayan bir kaliteydi.
Platform ayrıca, insan organlarının yapısını taklit eden minyatür doku modelleri oluşturmak için de kullanılacak. Bu modeller ilaç testlerinde ve kişiselleştirilmiş tıbbın desteklenmesinde kullanılabilecek.
Martinelli, "Proje, çok farklı amaçlara hizmet eden farklı dokuları aynı prensipleri kullanarak mühendislik ürünü olarak üretebilen bir platform sunmayı hedefliyor" dedi.
Sağlık alanında odak noktası, lösemi gibi kemik iliğini etkileyen durumlar için ilaçları incelemek amacıyla 3 boyutlu kemik iliği modelleri oluşturmak.
Gıda tarafında ise doğru yağ dağılımını yakalamak, tüketici kabulü için büyük önem taşıyor. Martinelli, "Biyobaskı teknolojimiz sayesinde alternatif etlerde doğru dokuyu elde edebiliyoruz, bu da onu pazara sunmak için bir fırsat yaratıyor" dedi.
Teknolojiyi halka ulaştırmak zaman alacak. Martinelli, "Gerçek dünya uygulamalarından hâlâ uzağız" dedi. "Neyin mümkün olduğunu görmek için prensiplere ve mekanizmalara odaklanıyoruz. Ancak gelecekteki zorlukları şimdiden hesaba katıyoruz."
Tüketici algısı bu zorluklardan biri. Yapay et geliştirirken araştırmacılar bakteri yerine maya ile çalışmayı tercih etti. Martinelli, "Tüketicilere etin bakteri kullanılarak üretildiğini açıklamak zor olurdu" dedi.
Bilimsel ilerleme zorluğun sadece bir parçası. Mühendislik ürünü canlı malzemelerin tıp veya gıda üretiminde kullanılması aynı zamanda yeni düzenleyici yaklaşımlar gerektirecek.
ELM'ler canlı hücreler ve bazı durumlarda genetiği değiştirilmiş mikroorganizmalar içerdiğinden, mevcut düzenleyici çerçevelere tam olarak uymuyor. Bu çerçeveler, bir anlamda canlı olan malzemeler için değil, geleneksel ilaçlar veya standart gıda ürünleri için tasarlanmıştır.
Ekip, Avrupa İnovasyon Konseyi ile işbirliği içinde, Avrupa İlaç Ajansı da dahil olmak üzere düzenleyici kurumlarla şimdiden görüşmelere başladı ve bu malzemelerin hangi kurallara ve onaylara ihtiyaç duyabileceğini araştırıyor.
Martinelli, "Bu teknolojiye karşı yeni bir tutum geliştirmemiz gerekiyor" dedi. "İşbirliği, ELM'lerin kullanımına yönelik bir yol oluşturmamıza yardımcı oluyor."
Vassalli, ELM'lerin yaygın olarak uygulanması halinde "son derece güçlü" olabileceğini ekledi. "Projeye başladığımızda iki ana sorumuz vardı: Bu mümkün mü ve ölçeklenebilir mi? Artık bunun mümkün olduğunu söyleyebiliriz."
Ölçeklenebilirlik bir sonraki zorluk. Ekip başarılı olursa, canlı malzemelerin şu anda kanıksadığımız geleneksel malzemelerin yanında yerini aldığı bir geleceğe bir adım daha yaklaşılabilir.
