Non puoi programmare via serial un chip senza bootloader.
Il bootloader è un particolare programma scritto dal team di Arduino che all'avvio del microcontrollore controlla appunto se sulla seriale sta arrivando un nuovo sketch. Se arriva, lo legge e contemporaneamente lo scrive sulla Flash. Se non c'è nulla, avvia il programma già presente. In questo caso ti serve un convertitore USB/seriale.
Senza bootloader l'unico modo per scrivere il nuovo sketch è appunto la programmazione ISP, che usa la comunicazione SPI del micro. Quindi ti serve o un programmatore o un Arduino che lo emuli.