Moleküler Dedektifler – Vaka No: 001

Beyaz önlük, tamam; steril eldivenler, tamam; maske, tamam; bilgisayar, tamam; dedektif büyüteci, tamam. Öyleyse sizleri sadece bir araştırmacı değil aynı zamanda bir moleküler dedektif ilan ediyorum. Özel serimizde başrol sizsiniz. Biyoloji ve bilgisayar biliminin multidisipliner yaklaşımına bir de adli biyoloji alanından bakış atmaya, biyoinformatik araçlarını dijital bir otopsi olarak kullanmaya hazırsak başlayabiliriz.

Karmakarışık grafikler, anlamsız gelen işaretler, içinden çıkılamayan bir labirent gibi görünen şekiller; bir araştırmacı için vazgeçilmez kaynaklardır. Yazılan makaleyi destekleyen en önemli bölümlerdir. Yani kanıtlar… Bilginin doğruluğu, tutarlılığı, geçerliliği bu birincil kaynaklara dayanır. Bu kavramlar günlük yaşam için de oldukça önemlidir.

Doğruluk, durumun gerçek değere ne kadar yakın olduğunu gösterir.

Bir düşünelim; sabahın ilk ışıkları ile güne merhaba dediniz ve sağlıklı bir kahvaltı sonrası özel olarak aldığınız filtre kahvenizi yapmak üzere mutfağa gittiniz. Kahvenin tadına varabilmek amacıyla etiketinde yazılı olan tarifi uygulamaya karar verdiniz. Etiketinde 20 gram kahve eklemeniz isteniyor ve siz de tartınızı kullanarak 20 gram kahve koydunuz. Tartı 20.0 olarak ölçüyorsa sonuç doğrudur. Tartı bozuk olsaydı sonuç doğru olmayacaktı. Bilgi doğruluğunu kaybettiğinde, alınan sonuçlar hedefine ulaşamaz. Kahve, laboratuvarda analiz edeceğiniz ürün; tartı, biyoinformatik araçlar; tartıda çıkan değer, yukarıda bahsettiğim karmakarışık, anlamsız görünen, labirent benzeri çizgi ve noktalar olarak değerlendirebiliriz.

Tutarlılık, koşullar ve uygulanan yöntemler aynı olduğunda sonucun her zaman aynı olması durumudur.

Filtre kahvenizi her gün aynı yöntemle ve aynı ölçüde yapıyorsunuz ama bir gün acı, bir gün tam istediğiniz gibi, bir gün de tatlı oluyorsa yöntemde tutarlılık yoktur. Tutarlılık güvenilirlik anlamına gelir. Eğer bir süreç tutarlı değilse nerede hata yapıldığı anlaşılamaz. Burada yöntemi, biyoinformatik araçları kullanmayı; kahvenin tadını, grafik değerlerinin aynı sonucu verip vermeme durumu olarak düşünebiliriz.

Geçerlilik, durumun doğru yöntemlerle yapılması yani bilginin amacına hizmet etmesidir.

Kahvenizi tartmak için hassas tartı kullanmak yerine tartma işlemini yapmayan herhangi farklı bir aleti ya da mekanizma kullanılırsa o alet doğru ve tutarlı olsa bile geçerli olmaz. Yöntem amacına uygun kullanılmamıştır. Burada yöntem, biyoinformatik araçlarını temsil eder ve amacına uygun kullanım gerektirir. Örneğin bir biyoinformatik aracı proteinin ağırlığını hesaplıyorsa ama siz bu aracı proteinin 3D yapısına bakmak için kullanıyorsanız geçerli bir sonuç alamazsınız.

Moleküler dedektif olarak birinci göreviniz, doğru çalışan ve güvenilir biyoinformatik aracınızı amaca uygun olarak seçmek. Bu görev için biyoinformatiğin ne olduğunu, önemini ve biyoinformatik araçlarının ne işe yaradığını benimseyebilmemiz gerekir.

Peki biyoinformatik nedir? Biyoinformatik araçlar ne işe yarar?

Biyoloji, canlı bilimi, informatik ve bilgisayar bilimi olarak tanımlanmaktadır. Biyoinformatik, canlı bilimi olan biyoloji ve bilgisayar biliminin yanı sıra matematik , fizik ve tıp alanlarıyla yakından ilişkili bir çalışma alanıdır. Bu sayede canlıların yapıtaşı olan DNA, olmazsa olmaz protein ve aminoasitlerin tüm yapısal özellikleri adeta kimliklendirilir. Bileşenlerin tanınması için ağırlığı, yoğunluğu, kaynakları, diğer bileşenlerle etkileşimleri, yapıları gibi özellikler bilgisayar platformuna kaydedilir ve gelecek araştırmalar için major rol oynar.

Biyoinformatik araçları, yapay zeka ve yazılım bilimini kullanarak verileri görüntüleyen, analiz eden ve verileri depolayan birer yazılım uygulamalarıdır. Adli süreçlerde dizileme cihazından elde edilen ham genetik veri (A, T, G, C nükleotid dizilimleri), adli analizciler tarafından bu gelişmiş yazılımlara aktarılır.

Adli biyoinformatikte delilin yolculuğu

Bir suç mahallinde bulunan bir biyolojik doku, faillin veya kurbanın kimliğini ortaya çıkaracak devasa bir veri hazinesi taşır. Ancak bu verinin adaletin hizmetine sunulabilmesi için fiziksel delilden daha fazlasına ihtiyaç duyulur. Analiz edilecek doku parçası ilk olarak saha aşaması ya da diğer adı ile wet lab aşamasından geçer. Ardından elde edilen genetik veriler dry lab denilen bilgisayar tabanlı platformlarla analiz edilir.

Wet Lab Nedir?

Saha ve Islak Laboratuvar (Wet Lab) Aşaması:

• Delinin Toplanması ve Muhafazası: Olay yerinde bulunan kan, kıl, tükürük veya doku örnekleri steril koşullarda muhafaza edilerek toplanmaktadır.

• DNA İzolasyonu ve PCR Amplifikasyonu: Toplanan numunelerin hücreleri laboratuvar ortamında parçalanır ve saf DNA elde edilmektedir. Bu işleme DNA izolasyonu denmektedir. Miktarı yeterli olmayan örnekler PCR adı verilen cihaz ile DNA nın çoğaltılması sağlanmaktadır. Bu işleme PCR amplifikasyonu denmektedir.

• Genetik Dizileme (Sequencing): PCR ile çoğaltılan hücre DNA’ları dizileme cihazlarına konularak nükleotit dizilimleri (A, T, C, G harf dizileri) elde edilmektedir.

Kuru Laboratuvar (Dry Lab) ve Biyoinformatik Aşaması:

Wet lab aşamasında laboratuvara getirilen deliller dizilenir sonraki aşama ise biyoinformatik analiz aşamasıdır.

• Dizilerin Veritabanlarında Taranması (BLAST): Elde edilen bilinmeyen DNA dizisi, BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) algoritması ile GenBank ve NCBI¹ gibi veritabanlarındaki bilinen tüm DNA dizileri ile karşılaştırılır.

• Hizalama ve Skorlama: BLAST algoritması yerel dizilim² hesaplaması yaparak bilinmeyen DNA dizisi ile veritabanınındaki diziler arasındaki benzerlik skorunu hesaplar. En yüksek skora sahip eşleşme, örneğin hangi canlıya, kurbana ya da şüpheliye aitliğine dair bilgi verir. Google görsellere bir fotoğraf eklediğimizde algoritma nasıl bize benzerlerini sunuyorsa BLAST algoritması da aynı şekilde işimizi kolaylaştırmaktadır.

• Genomik Hizalama ve Kimliklendirme: İki veya daha fazla DNA, RNA ya da protein dizisi yan yana getirerek aralarındaki benzerlik ve farklılıkları (mutasyonlar, eklemeler, silinmeler) tespit edilir. Ensembl gibi genom haritalama sistemleri kullanılarak örneğin DNA parçasının fonksiyonu ve kromozom üzerindeki konumu doğrulanır. Google haritalarda konumun sokak, cadde bilgilerinin bulunabilmesi gib Ensembl da DNA parçasının konumunu bulur.

Adli vakalarda sadece sahada bulunan örnekle şüpheli ya da kurbanın kimliği tespit edilememektedir. Kimliklendirme için olay yeri incelemesinden sonra bilgisayar tabanlı algoritmalar kullanılarak kesin bilgilere ulaşılabilir. İki aşama da adli vakaların çözümlenmesi ve adaletin sağlanması için oldukça önemli ve güçlü kanıtlar oluşturur. Gelecek serilerde görüşmek üzere…

1. NCBI, biyoinformatik ve genetik alanındaki bilgileri toplamak ve ücretsiz sunmak için kurulmuş bir Amerikan ulusal merkezidir, GenBank ise bu merkez bünyesinde yer alan büyük bir DNA ve nükleotid dizi veri tabanıdır. ↩︎
2. Yerel hizalama: DNA, RNA veya protein gibi dizilerin tamamını birbiriyle örtüştürmeye çalışmak yerine, yalnızca en yüksek benzerliğe veya eşleşmeye sahip alt bölgelerini karşılaştırma yöntemidir ↩︎

Kaynak
Stein, L. Genome annotation: from sequence to biology. Nat Rev Genet 2, 493–503 (2001). https://doi.org/10.1038/35080529
Bayat A. Science, medicine, and the future: Bioinformatics. BMJ. 2002 Apr 27;324(7344):1018-22. doi: 10.1136/bmj.324.7344.1018. PMID: 11976246; PMCID: PMC1122955.
https://www.hyperec.com/blog/wet-lab-vs-dry-lab/