2. Temmuz 2016

İnsanın Kayıp Hormonu Deniz Yıldızında Bulundu

İngiltere’de bulunan Queen Mary Üniversitesi ve Warwick Üniversitesi ile Belçika’da bulunan Leuven Katolik Üniversitesi’nden araştırmacılar, insanlarda cinsel olgunluktan sorumlu olan bir hormonun evrimsel tarihinin, deniz yıldızının genlerinde yazılı olduğunu keşfettti. İnsanlarda ergenliğin başlangıcı ve cinsel gelişim, gonadotropin-salıcı hormon (İng.gonadotropin-releasing hormone – GnRH) olarak bilinen bir beyin hormonunun salınması ile tetiklenir. Araştırmacılar, işte bu önemli cinsiyet hormonunun tarihsel öyküsünü bulmuş oldu.

Meyve sineklerinin GnRh benzeri iki hormona sahip oldukları zaten biliniyordu. Bu hormonlardan biri olan adipokinetik hormon (AKH) uçuşa gereken gücü sağlamak için depolanmış yağları harekete geçirirken, diğeri olan korazonin de böceğin kalbinin daha hızlı atmasını sağlar. Eksik olan bilgi, insanlara böceklerden daha yakın akraba olan diğer omurgasız hayvanlardaki durumdu. Geçtiğimiz günlerde Nature dergisinin Scientific Reportsbölümünde yayımlanan makalede anlatılan deniz yıldızı araştırması, eksik halkayı sağladı.

Araştırmacılar deniz yıldızında, tıpkı meyve sineğinde olduğu gibi GnRh benzeri iki hormonbulunduğunu keşfetti. Ekip lideri Prof.Maurice Elphick şöyle anlatıyor: “Yaklaşık yarım milyar yıl önce okyanuslarda yüzen hayvanlarda, GnRh tipi hormon için kodlanmış sadece tek bir gen vardı. Bu gen daha sonraları ikinci bir kopyasını üretmiş ve nihayetinde meyve sinekleri ile deniz yıldızlarında bulduğumuz iki tane GnRh benzeri hormonun oluşmasına yol açmış olmalı. Bu arada evrimsel yollar aşılırken, insanlarda korazonin tipi hormon yitirilmiş.”

İnsanın atasının nasıl olup da sadece bir adet GnRH tipi hormon edinebildiği ise henüz açıklığa kavuşmuş değil. Bu soruyu yanıtlayabilmek için araştırmaların sürdürülmesi ve GnRH tipi hormonların deniz yıldızında ve diğer omurgasızlarda üstlendiği rollerin daha iyi anlaşılması gerekiyor.

Çalışmanın özetlendiği makalenin başyazarı olan doktora öğrencisi Shi Tian şunları ekliyor: “Söz konusu GnRH benzeri iki hormonu kodlayan genlerin, deniz yıldızının o ilginç beş köşeli bedeninin neresinde ifade edildiğini araştırıyoruz. Bunu anlayabilirsek, bu hormonların deniz yıldızındaki işlevlerini de anlama şansımız olabilir.”

GnRH tipi (kırmızı) ve CRZ tipi (mor) reseptörlerin Bilateria’daki (bilateral simetrili hayvanlardaki) evrim şeması. Bu iki tip reseptör, Bilateria’nın ortak atasındaki gen kopyalaması sonucu doğmuş. Arthropoda’nın ortak atasında gerçekleşen ikinci bir gen kopyalaması sonucunda da AKH tipi (turuncu) ve ACP tipi (pembe) reseptörler ortaya çıkmış. CRZ tipi reseptörler birden fazla evrimsel yolda kaybedilmiş (mor çarpı işaretleri); buna omurgalılar da dahil. ACP tipi reseptör de meyve sineğinde yitirilmiş (pembe çarpı işareti).

Kaynak:

Bilimfili,
Londra Queen Mary Üniversitesi, “Lost hormone is found in starfish”
< http://www.qmul.ac.uk/media/news/items/se/178410.html >

İlgili Makale: Urbilaterian origin of paralogous GnRH and corazonin neuropeptide signalling pathways, S. Tian, M. Zandawala, I. Beets, E. Baytemur, S. Slade, J. Scrivens, & M. Elphick, Scientific Reports, 2016.
< http://www.nature.com/articles/srep28788 >

2. Temmuz 2016

DNA Eşlenmesi ve Transkripsiyonu Çarpışması, Mutageneze Sebep Oluyor

Bölünerek üreyen her hücre, bölünmeden önce tıpkı yola çıkmadan önce hazırlıkların tamamlanması gibi, kendi DNA’sının bir kopyasını daha üreterek oluşturacağı iki hücreye de aynı DNA’dan sağlamayı garanti altına alır. DNA eşlenmesi denen bu süreç ile aynı anda da DNA çalışmaya ve genlerinden proteinler sentezlemeye devam eder. Bölünmeye yakın olan zamanda bu proteinlerin çoğunu da hücre bölünmesi ve hücre bölünmesi ile ilgili mekanizmalarda görev alacak proteinler oluşturmaktadır.

Bildiğimiz üzere de , her protein sentezi sırasında gene bağlı olarak üretilen tek zincirli mRNA (mesajcı RNA) zincirleri oluşturulmakta ve bazen DNA zincirinden eşi olan DNA zinciri üretilirken, protein sentezi aynı anda gerçekleşmekte ve aynı zincirden -aynı yönde- mRNA da üretilmektedir.

Aynı yönle olduğu sürece çok sorun olmasa da, eğer mRNA ve eş DNA zinciri üretimi ters yönlü gerçekleşirse iki üretimin yolları kesişmekte ve çarpışma yaşanmaktadır. Baylor College of Medicine ve University of Wisconsin’den araştırmacılar, Nature dergisinde yayımladıkları makalelerinde bu çarpışmaların önemli ölçüde mutageneze (mutasyon ve mutasyonla sonuçlanan süreçler) yol açmakta olduğunu tespit ettiklerini açıkladı.

Araştırmanın başında Bacillus subtilis adlı bakteriye ait tek bir gendeki geniş mutasyon çeşitlerini tespit etmeyi sağlayacak bir laboratuvar deneyi geliştirdiklerini belirten, Baylor’da moleküler, insan genetiği yardımcı doçenti olarak görevini tamamlayan ve şu an University of Wisconsin dahilinde araştırmalarına devam eden Dr. Jue D. Wang şu açıklamada bulundu : “Bazı bakterilere DNA eşlenmesinin ve transkripsiyonun (DNA’dan mRNA üretim mekanizması) aynı yönlü olarak işleyeceği şekilde gen aktarırken diğerlerine bu iki sürecin birbiri ile kafa kafaya çarpışmasına neden olacak şekilde dizayn edilmiş geni aktardık.”

Araştırmacılar deneyin ardından, zıt yönlü işleyen süreçlerdeki çarpışmadan sonra mutasyon oranının, aynı yönlü olanlara oranla daha yüksek olduğunu gözlemledi.

Bahsi geçen keşfin dışında, bu eşlenme ve transkripsiyon çarpışmasından dolayı ortaya çıkan mutasyonların, yer değiştirme (nükleotitlerin zincirler arasındaki yer değişimi) , insersiyon (nükleotit dizisine başka nükleotit ve nükleotit gruplarının eklenmesi) veya bunun tersi olan silinme mutasyonu olmasından bağımsız olarak, genden protein üretimini kontrol eden, başlatıcı (promoter region) bölgede görüldüğü not edildi.

Başlatıcı veya promoter olarak bilinen kısımlar, hemen onları takip eden genlerin ne oranda transkrip edileceğini (yani ne kadar mRNA ve dolayısıyla protein üreteceğini) kontrol etmektedir. Şöyle ki, bu bölgede ortaya çıkacak bir mutasyon; bir geni tamamen susturabilir, protein sentezlemesini azaltabilir veya değişen oranlarda artırabilir. Doğal olarak, bu etkilerin sonucunda bilinen hastalıkların birçoğunda olduğu gibi, bireyin sağlığına zararlı durumların ortaya çıkması bir noktada kaçınılmaz olacaktır.

Bahsi geçen kafa kafaya çarpışma olayının gerçekleşmesi muhtemel yerlerin tespit edilmesi aynı bağlamda bireylerin sağlığının korunmasını ve bir takım sağlık sorunlarının ortaya çıkmadan önce tahmin edilebilmesine, müdahale edilebilmesine ve erken tedavilerin uygulanabilmesine yardımcı olacaktır.

Kaynak :

Bilimfili,
Phys.org , Collisions during DNA replication and transcription contribute to mutagenesis, 29 Haziran 2016, phys.org/news/2016-06-collisions-dna-replication-transcription-contribute.html

Makale Referans : T. Sabari Sankar et al, The nature of mutations induced by replication–transcription collisions, Nature (2016). DOI: 10.1038/nature18316

2. Temmuz 2016

En Temel Ölçekte Evrim: Amino Asit Sıra Değişimleri

Grip virüsü, gösterilerinde bir anda kılık değiştirme numarası yapan sihirbazlar gibidir. Genomu 20-30 yıl içinde, hayvan genomlarının milyonlarca yılda geçireceği değişimleri geçirebilir. Dolayısıyla bedenlerimizi enfeksiyona karşı uyaranlar da dahil olmak üzere, viral proteinler kendilerini sürekli yeniler. Bağışıklık sistemimizi tehdit ederken, aşı üreticilerinin de işini zorlaştırırlar.

Evrimin proteinler üzerindeki etkisini inceleyen biyolog Jesse Bloom, aralıksız değişimin bir fırsat olduğunu düşünüyor. Geçmiş grip mevsimlerinde toplanan verilerden, Bloom bugünkü grip virüslerinin atalarından bazılarının genetik yapısını bütünüyle biliyor. Seattle’da bulunan Fred Hutchinson Kanser Araştırma Merkezi’ndeki laboratuvarında bu bilgiyi kullanarak, virüslerin bağışıklık sistemini atlatacak dönüşümleri nasıl geçirdiklerini anlamaya çalışıyor.

Bloom ve ekibi, “evrimsel biyokimya” alanında çalışan ve giderek büyüyen bir grubun parçası. Yaşamın muazzam çeşitliliğini açıklamak ve bu çeşitliliğin tam olarak nasıl belirdiğini belirlemek istiyorlar. Bitkilerin ve hayvanların farklı ortamlara nasıl uyum sağladığına odaklanmak yerine, bu araştırmacılar çeşitliliği çok daha küçük ölçekte ele alıyor: Yaptıkları çalışma, ilkel yaşam biçimlerine olanak tanıyan az sayıdaki proteinin, nasıl olup da şu anki biyolojik süreçleri yöneten milyonlarca özelleşmiş proteine evrildiğini açıklamayı amaçlıyor.

Bloom genetik kayıtlardan yararlanarak, geçmiş zamanlarda varolmuş virüs proteinlerini düzenleyebiliyor ve ardından her seferinde bir amino asit olacak şekilde nasıl evrim geçirdiklerini yeniden gözlemliyor. Diğer araştırmacılar, biyolojik moleküllerin milyonlarca yıl içinde evrilen atalardan kalma biçimlerini diriltmek için modern türleri çözümlüyor.

Ellerinde geçmişe ait bir protein olan araştırmacılar, tek bir amino asiti değiştirmenin (muhtemelen evrim sürecinde böyle olmuştur) proteinin esneyişini, katlanışını ve diğer moleküllerle bağlanışını (ya da bağlanmayışını) nasıl değiştirdiğini sınayabiliyorlar. Adım adım amino asit değişiklikleri yaparak proteinin alternatif tarih versiyonlarını deneyen bilimciler, bir proteinin fiziksel biçiminin nasıl hem evrilmesini sağladığını, hem de evrimini sınırladığını öğrenebiliyor.

Bu çalışma uzun zamandır yanıtlanmayı bekleyen bazı soruları nihayet yanıtlayabilir: Evrim ne dereceye kadar şans eseri olaylara bağlı? Evrim farklı yollar izleyerek aynı noktaya varabilir mi? Biyolojik karmaşıklık nasıl evrilir? Bu tür deneyler, bir yandan da modern proteinler üzerinde çalışan ve amino asit sıralamasının biyolojik işlevlerle nasıl bağlantılı olduğunu inceleyen araştırmacılara da yardımcı oluyor.

Biçim Eşittir İşlev

Amino asitlerin bu sıralı dizisi, bir proteine karşılık gelen gen haritasını tutan gen tarafından okunur. Uygun asitler bir kez dizildikten sonra, origami kağıtlarına benzer şekilde, proteinin hücre içinde ne yapacağını belirleyen köşeli ve çıkıntılı minik yapılar biçimine katlanır. Bir proteinin katlanış şekli, onun belli DNA parçalarını yakalamasını veya bazı kimyasal tepkimeleri hızlandırmasını sağlar. Bir gendeki mutasyonlar, ortaya çıkan proteinin biçimini değiştirebilir ya da davranışında farkedilmesi güç değişiklikler yaratabilir. Böylece zaman içinde bir proteinin işlevi değişebilir. Fakat olasılıklar sonsuz değildir. Parçalanan, katlanmakta başarısız olan veya gereken performansı göstermeyen yeni proteinler, doğal seçilimin sınavlarından sağ çıkamaz.

“Katlanmanın, durağanlığın (stabilliğin), çözünürlüğün, işlevin ve özgünlüğün (spesifikliğin) fiziksel belirleyicileri, evrimsel sürecin özünde yer alan etkenlerdir,” diyor Şikago Üniversitesi’nden biyolog Joe Thornton. “Yakın zamana kadar bu durum pek kabul görmüyor ve açıkça belirtilmiyordu.” Şimdi ise moleküler evrimi anlamak için proteinlerin işlevleri olan, fiziksel nesneler olarak incelenmelerinin öneminin anlaşıldığını ekliyor Thornton.

Araştırmacılar proteinlerin geçmişlerini yeniden yapılandırırken, bazen genetik mutasyonların bir molekülü, daha önce başarılı olamayacak başka mutasyonlara bir şans verecek denli değiştirdiğini fark etti. Bu da yeni özelliklerin ve işlevlerin evrilmesi için fırsat yaratıyor. Bu biyologların onlarca yıldır aklından geçen bir düşünce olmasına karşın, laboratuvarda araştırılmaya yeni başlanıyor.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Örneğin Bloom ve meslektaşları, grip virüsünün evriminin mutasyonlar arası etkileşimden nasıl etkilendiğini araştırmak içinnükleoprotein denilen bir grip virüsü proteini kullandı. Çeşitli mutasyonların toplamda yarattığı etkiyi anlamak, araştırmacıların yeni genetik varyasyonların kısa vadeli etkilerini öngörmelerini sağlayabilir. Bu bilgi, önümüzdeki grip mevsimlerinde hangi viral dizilerin etrafta olabileceğinin tahmin edilmesine ve etkili aşıların geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Nükleoprotein genlerini, 1968 ve 2007’de yalıtılan virüs dizileri ile karşılaştıran ekip, 1968 proteinin yeni biçimine dönüşmesini sağlayan olası adımları haritaladı. Nükleoprotein 1968’de oynadığı rolün aynısını (viral RNA’nın düzenlenmesine yardımcı olmayı) sürdürse de, bu kırk yıllık süreç içinde 498 amino asitinden 33 tanesi değişmiş. Amino asitlerinin küçük bir kısmı da birden fazla kez değişim geçirmiş. Ekip bu bulguları 2013 yılında eLife dergisinde yayımlanan makalelerinde açıklamıştı¹.

Bloom ve çalışma arkadaşları, 1968 nükleoproteinini yapılandırdı ve ardından son kırk yılda gerçekleşmiş mutasyonların her birinin gerçekleşmesinin yarattığı etkileri sınadı. Mutasyonlardan bazıları, bir işgalci olduğunda kişinin bağışıklık hücrelerini uyaran protein kısımlarını etkiledi. Bu da muhtemelen grip virüsünün yakalanmaktan kaçabilmesine yardım ediyor. Fakat gerçekleşen değişimlerin bir bölümü de kendi başlarına, virüs için kötü sonuçlar doğurdu: Nükleoprotein, göevini yapmasına yetecek süre boyunca uygun şekilde katlanmış kalamadı.

Nükleoproteinin evrimi sırasında, mutasyonların bazıları proteinin durağanlığını yükseltti. Daha sonraki mutasyonlar gerçekleştiğinde, muhtemelen daha önce gerçekleşmiş bu tür değişimler sayesinde proteinin yapısı bozulmadan kalabildi ve işlevlerini sürdürmeye devam edebildi.

Bir mutasyonun yarattığı etki öteki mutasyonlara bağlı olduğunda, bu karşılıklı etkileşime “epistasis” (iki değişkenin birbirini etkilemesi durumu) denir. Oregon Üniversitesi’nden biyofizikçi Michael Harms, tekil moleküller arasındaki bu etkileşimlerin, evrimin izleyeceği yolu belirlemede büyük önem taşıdığını söylüyor. Kendisi, s100 olarak adlandırılan bir grup proteindeki işlev çeşitliliğinin nasıl evrildiğini inceliyor. Harms, epistasisin evrimin tümünde görülen yaygın bir özellik olduğunu ekliyor.

Birbirine bağlı etkileşimler sadece mutasyon çiftleri arasında olmakla kalmıyor. Bundan çok daha karmaşık olabiliyorlar. Diğer laboratuvarlardan gelen verileri inceleyen Harms, epistatik etkileşimlerin 6 farklı mutasyona birden bağlı bile olabildiğini buldu. Böylesi bir karşılıklı etkileşimin varlığı, genler kendilerini azıcık dönüştürdüğü takdirde, evrimin çoğu zaman rotayı çok farklı yönlere çevireceği anlamına geliyor.

İzin Veren Mutasyonlar

Araştırmacılar, ileride gerçekleşecek değişimler için zemin hazırlayan mutasyonlara “izin veren” mutasyonlar adını veriyor. Bazı protein işlevlerinin ortaya çıkışı, ancak bu tür izin veren mutasyonların, evrilen bir molekülü pek de olası olmayan biçimde değiştirmelerinden sonra gerçekleşebiliyor.

Thornton, omurgalılarda stres tepkilerini, büyümeyi ve cinsel gelişimi yöneten steroid hormonlarının, kendi reseptörleri ile nasıl ortaklık geliştirdiklerini incelemek için atadan kalma proteinlerin yeniden yapılandırılmasından yararlanıyor. Reseptörler, hücre içi yanıtı tetiklemek için belirli partnerlere bağlanan proteinlerdir. Farklı türlerdeki steroid reseptörlerini karşılaştıran Thornton, moleküller arasındaki evrimsel ilişkilerin haritasını ve ortak atalarının olası amino asit dizilimini çıkarabilmiş. Ardından laboratuvar ortamında yetiştirilen hücrelere, uzun zamandır soyu tükenmiş durumda olan proteini kodlayan bir DNA molekülü eklemiş. Böylece bu hücreler, ellerine geçen genetik yönergeleri kullanarak, maziden kalma bir küçük parça üretmiş.

Thornton’un çalışmalarının çoğu, ekibi ile birlikte 2006 yılında yeniden yapılandırmış oldukları 450 milyon yıllık bir reseptör protein ile başlıyor. Bu protein, farklı hormonlar tarafından etkinleştirilen modern reseptör molekülleri ortaya çıkarıyor. Reseptörlerden biri olan glukokortisoid reseptörü, stres hormonu olan kortizole yanıt veriyor. Bir başka reseptör olanmineralokortisoid reseptörü, aldosteron hormonuna cevaben tuzun ve diğer elektrolitlerin düzeyini kontrol ediyor. Thornton’un ekibi, bu reseptörlerin yeniden yapılandırılan atasının, hem kortizol ile hem de aldosteron ile etkinleştirilebildiğini keşfetti.

Thornton, sadece kortizole yanıt veren bir reseptörün, seçici olmayan reseptörden 40 milyon yıl sonra belirdiğini gösterdi. Genel ata reseptörü, kortizole özel bir reseptöre dönüştüren amino asit değişiklikleri dizisi, ekip tarafından ortaya kondu. Ancak deneylerden anlaşıldığı üzere, antik reseptörün tercihlerini değiştiren mutasyonlar kendi başlarına işlevsel bir reseptör üretemiyorlar. “İşlev değiştiren mutasyonlar kendi başlarına tolere edilemiyorlar,” diyor Thornton. Reseptörün çeşitli bölgelerinin durağanlığını bozuyorlar. Tıpkı grip virüsünün evrilen nükleoproteinide olduğu gibi, öncelikle ata reseptörün yapısının sıradaki mutasyona dayanabilecek duruma gelmesi gerekiyor.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Thornton ve çalışma arkadaşları 2009 yılında Nature dergisinde yayımladıkları bir makalede, iki amino asit değişiminin, antik reseptörü dönüşüm için usulca hazır duruma getirdiğini açıkladı². Bunlar olmadan, işlev değişimi sağlayan mutasyona ulaşma olasılığı olamazdı. “Zamanı geri sarabilsek ve tarihin yeniden akmasını sağlayabilsek, bu izin verici mutasyonların yinelenme olasılığı pek az olurdu. Muhtemelen çok farklı bir glukokortisoid reseptörü ve çok farklı bir endokrin sistemi elde ederdik,” diyor Thornton.

Thornton ve o sıralarda Thornton’un Oregon Üniversitesi’ndeki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacısı olan Harms, evrimin başka bir yol izleyerek aynı sonuca ulaşıp ulaşamayacağını araştırıyordu³. Harms, antik proteinin binlerce değişik çeşidini yaratıp inceleyerek, onun aynı işlev değişimine uğramasıyla sonuçlanacak alternatif mutasyon zincirlerini tarıyordu. Nature dergisinde 2014 yılında yayımladıkları makalede, başka alternatif bulamadıklarını açıkladılar. Görünüşe göre evrim, nadir rastlanan bir fırsattan yararlanabilmişti.

Reseptör proteinin değişik çeşitlerinin biyofiziksel analizi, kortizole özgü bağlanmanın evrilmesine neden bu kadar az mutasyonun olanak tanıdığının anlaşılmasını sağladı. Bazı bölgelerin fazladan desteğe gereksinimi olmakla birlikte, reseptörün de ayrıca iki biçim arasında geçiş yapabiliyor olması gerekiyordu: Kortizol yokken inaktif bir yapı ve hormon bağlandığında gen aktifleştirici bir yapı. Mutasyonların bazıları reseptörün aktif biçimini fazlasıyla durağanlaştırıyordu ve “daima açık” konfigürasyonuna sabitliyordu. Mutasyonların ayrıca, işlev değiştirici mutasyonlar işe karışmadan önce, kendi başlarına ata proteine uyumlu olması gerekiyordu. “Bir mutasyonun tüm bu koşulları sağlaması gerekir ve bu da pek kolay bir şey değil. Izin veren mutasyonların (bu işlevsel değişim için) neden bu denli nadir olduklarının açıklaması böyle olsa gerek,” diyor Thornton.

Fakat her yeni işlevin, karmaşık epistatik etkileşimlerin sonucu olduğu da söylenemez. Geçtğimiz Ocak ayında eLife dergisinde yayımladıkları makalede Thornton ve Oregon Üniversitesi’nden Ken Prehoda, tek bir amino asit değişimi sonucunda yepyeni bir işlev kazanan antik bir protein tanımladı⁴. Ekip, hücrelerin bölünmeden önce uzayda yönelimlerini ayarlamalarına yardım eden bir hayvan proteinin kökenini araştırdı. Gelişen bir bedende yeni hücrelerin doğru yerlerde konumlamları açısından bu çok önemlidir. Çok hücreli organizmaların ortaya çıkmasından önce tek hücreli yaşam formlarının bunu doğru yapıyor olmaları gerekiyordu.

Thornton, Prehoda ve ekip arkadaşları, proteinin GK_PID (PID: protein etkileşim alanı. [İng. protein-interaction domain]) adı verilen ve bölünme sırasında iskele görevi görerek hücrelerin yönelimlerini düzenleyen bir parçasına odaklandı. GK_PID‘nin milyar yıllık atası buna benzer hiçbir şey yapmıyordu. Modern guanilat kinaz enziminin atası olan bir enzim öncülüydü ve hücrelerin DNA’nın yapıtaşlarından bazılarını yaparken kullandığı bir kimyasal tepkimeyi katalizliyordu. Şaşırtıcı ama tek bir mutasyon, bu atalardan kalma proteini enzimden iskeleye dönüştürmeye yetmişti.

Evrimi şekillendiren fiziksel ilkeler hakkında genel kuramlar geliştirmek için neden daha fazla proteinin evrimsel tarihlerinin anlaşılması gerektiğini, bu örnekten anlayabiliriz. İnsanlar ne zaman bir proteini ayırsalar, yeni bir özellik görüyorlar. Neyse ki hızlanan bilgisayarlar, gelişen yazılımlar ve referans genomların artan sayısı sayesinde, atalardan kalma proteinlerin yeniden yapılandırılmasına ilişkin araştırmalar ilerliyor.

Farklı Adımlarla Aynı Noktaya Varılabilir

Şansa bağlı olaylar evrimin önüne serilecek olasılıkları değiştirebilirken, evrilen proteinlerin keşfe çıkabilecekleri bir özgürlük alanları da mevcut. Bazı işlevlere ulaşmak için seçebilecekleri birden fazla yol olabiliyor. Brandeis Üniversitesi’nden biyokimyacı Douglas Theobald, pek çok hücrenin oksijensiz enerji üretmek için kullandığı bir enzim üzerinde yaptığı araştırmada bunu görmüş. Laktat dehidrojenaz enzimi, yapısal olarak benzer enzimlerden sadece bir kez evrilmemiş; farklı organizma gruplarında en az dört kez evrilmiş⁵.

Benzer bir enzim olan malat dehidrojenaz enzimini, laktat dehidrojenaz enzimine dönüştüren evrimsel olayları yeniden yapılandırarak, Theobald ve ekibi şunu buldu: İki adet tek hücreli parazit grubu, aynı enzim tarafından farklı yollarla ortaya çıkmıştı. Bu bulgular eLife dergisinin 2014 sayısında ve Protein Science dergisinin geçen Şubat sayısında yayımlandı. Yapılan çalışma, farklı genetik alt yapıların evrimin rotasını farklı organizmalarda farklı yollara kırabildiğini, fakat yine de benzer sonuçlara ulaşılabildiğini gösteriyor. “Çok miktarda epistasis olsa bile, aynı işleve götürebilecek yine de bir çok yol olabilir,” diyor Theobald.

California Üniversitesi Berkeley Kampüsü’nden Susan Marqusee, bir proteinin yeni bir şeyler yapmaya başlaması için birden fazla yol olduğunu gören bir başka araştırmacı. Marqusee, Thornton’un ekibiyle ortak çalışma yaparak, iki farklı bakterinin (Escherichia coli ve sıcağı seven Thermus thermophilus) çok farklı sıcaklıklarda aynı işi yapacak enzimleri nasıl geliştirdiklerini incelemiş.

T. thermophilus çoğu proteinin parçalanmasına neden olacak yüksek sıcaklıktaki su kaynaklarına bayılıyor. Biyokimyacılar, doğanın bu bakteride uyguladığı stratejilerden yararlanarak ısıya dayanıklı proteinlerin mühendisliğini yapmaya karar verdi. Dolayısıyla bu özellikten sorumlu olan genel ilkeleri bulmaları gerekiyordu. E. coli ve T. thermophilus’taki H1 enzimlerinin ortak atasını yeniden yapılandırarak, Marqusee’nin ekibi bakteriyel proteinin ısıyla nasıl başa çıktığını anlamayı başardı.

Ekibin 2014 yılında PLOS Biology’de yayımladığı makaleye göre, 3 milyar yıl öncesinden kalma ortak ata, T. thermophilus’un bugün kullandığı enzimden daha az durağandı⁶. Isıya dayanaklı protein evrilirken, durağanlığı giderek artmıştı; tek bir yenilikten ötürü değil, farklı zamanlarda ayrı biyofiziksel stratejilerden dolayı. “Fiziksel kimya, sonuçta doğru fenotipe götürdüğü sürece pek sorun değildir,” diyor Marqusee. Evrim, durağanlığı desteklemek için farklı amino asitlerden farklı yollarla yararlanabildiği için enzimin artmakta olan ısıya dayanıklılığı, belli mutasyon dizilerinin şans eseri varolmasına bağlı değildi.

Evrimin İzleyeceği Yol Tahmin Edilebilir mi?

Proteinlerin geçmişte nasıl evrildiklerinin incelenmesi sayesinde, evrimin gelecekte nasıl ilerleyeceğine ilişkin bir fikir edinmek pek mümkün değil. “Ortaya çıkan tabloya bakılırsa, şansın rolü o denli büyük ki, gelecekte evrimin nasıl ilerleyeceğine ilişkin uzun vadeli öngörü yapmak riskli olur,” diyor Thornton. Yapılan çalışmalar, bugünkü proteinlerin neden yapmakta oldukları şeyi yaptıklarına ilişkin yanıtlar sunmaları açısından yine de çok önemli.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Thornton’un çalışmasından bir örnek vermek gerekirse, steroid reseptörlerindeki DNA bağlanma bölgelerinin, DNA hedefleri ile birlikte nasıl evrildiğinden söz edebiliriz. Hormon aktiveli reseptörler, belli genleri açmak için DNA’nın özel kısımlarına bağlanan transkripsiyon faktörü görevi görüyor. 2014 yılında Thornton’un ekibi Cell dergisinde yayımladıkları yazıda, atalardan kalma proteinlerden birindeki büyükçe bir amino asitin, bugünkü steroid reseptörlerinin çoğu tarafından beğenilen DNA bölümüne proteinin bağlanmasını engellediği açıklandı⁷. Antik protein tuhaf bir şekilde DNA’dan geri sıçrıyordu ve tutunmasına yetecek teması sağlayamıyordu. Reseptörün yeni özelliğini kazanması, mutasyonların bu engellere son vermesi ile oldu.

Araştırmacılar çoğu zaman birbirleri ile ilişkili iki protein arasındaki hangi farkların onları farklı davranmaya ittiğini söyleyemez. Ama evrimsel yollarını yeniden yapılandırmak, onları doğru yöne sevk edebilir. Theobald ile Brandeis Üniversitesi’nden meslektaşı Dorothee Kern, kronik miyeloid lösemi ile ilgili büyümeyi sağlayan bir protein olan Abl’nin, ilişkili olduğu Src proteininden nasıl farklılaştığını inceledi. Araştırmacılar, kansere karşı geliştirilen Gleevec ilacının neden Abl’ye bağlanıp kapatırken, benzer yapıdaki Src’yi engellemediğini bilmek istiyordu. Theobald, Kern ve çalışma arkadaşları, Abl’de Gleevec’in bağlanması konusunda önem taşıyan 15 amino asit belirledi. Bu amino asiter, iki farklı konfigürasyon arasında protein geçişlerinin nasıl olacağını etkiliyordu. Elde edilen bulgular geçtiğimiz yıl Science dergisinde yayımlanan bir makale ile paylaşıldı⁸.

Bazı proteinler veya protein kısımları, içsel olarak evrime diğerlerinden daha açık olabilir. Çok hızlı evrilen bir viral protein olanhemagglutinin’in belli kısımları değişime karşı alışılmadık derecede dayanıklıdır. Konu üzerinde çalışan Bloom ve Bargavi Thyagarajan’ın 2014’te eLife dergisinde yayımladıkları makaleye göre, hemagglutinine karşı geliştirilen antibiyotikler bağışıklık sisteminin gribe karşı en iyi savunması olmakla birlikte, protein de yakalanmadan sızmakta ustaydı⁹.

Yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

Araştırmacılar nispeten yeni bir yöntem kullandı: Derin Mutasyonel Tarama. Bu sayede laboratuvarda yetiştirilen virüslerdeki hemagglutinin proteinlerini, mümkün olan neredeyse tüm amino asit değişiklikleri ile yapılandırıp sınadılar. Bir ev sahibinde, hemagglutinini bağışıklık sisteminden saklayacak değişimler avantajlı oluyordu. Laboratuvar ortamında saklancak bir bağışıklık sistemi olmasa da, virüsler yine de proteinin başka yerlerindeki değişikliklerden çok, hemagglutinin parçalarındaki değişikliklerde hayatta kalabildi. Bloom ve lisansüstü öğrencisi Michael Doud, proteinin daha detaylı bir görüntüsünü ve mutasyona dayanabilen bölgelerini, Nisan ayındabioRxiv.org sitesinde yayımladıkları makale ile paylaştı.

Bu virüs için iyi ama insanlar için kötü. Görünüşe bakılırsa hemagglutinin, tam da aşı üreticilerinin aynı kalmasını isteyecekleri bölgelerinde fazlasıyla değişiklik yapabiliyor. Araştırmacılar aşı hazırlayanların hemagglutinin’in mutasyona daha dayanıksız olan bölgelerini hedef almalarını öneriyor. Bu stratejiyi uygulamaya koyan laboratuvarlar oldu bile. Henüz neden hemagglutinin belli parçalarının değişimleri daha iyi karşıladığı açık değil. Bloom ileride bunu da anlamayı umuyor.

“Evrimi hiçbir zaman tam olarak öngöremeyeceğiz, çünkü son derece stokastik bir süreç,” diyor Bloom. “Ama sanıyorum bizi etkileyen evrimsel süreçlerin çoğu hakkında daha iyi tahminler yapabiliriz. Bunlar gerçekten zorlayıcı problemler, ama galiba deneylerden yararlanabileceğimiz bir noktaya varıyoruz ve moleküler düzeyde olanları anlamak, süreç hakkında düşünmemize yardımcı oluyor.”

Kaynak:

Bilimfili,
Science News, “Scientists dig up proteins from the past”
< https://www.sciencenews.org/article/scientists-dig-proteins-past >

Notlar:
[1] Lizhi Ian Gong Marc A Suchard Jesse D Bloom Stability-mediated epistasis constrains the evolution of an influenza proteine eLİFE DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.00631 Published May 14, 2013 Cite as eLife 2013;2:e00631
[2] Jamie T. Bridgham, Eric A. Ortlund & Joseph W. Thornton An epistatic ratchet constrains the direction of glucocorticoid receptor evolution Nature 461, 515-519 (24 September 2009) | doi:10.1038/nature08249; Received 12 May 2009; Accepted 30 June 2009
[3] Michael J. Harms & Joseph W. Thornton Historical contingency and its biophysical basis in glucocorticoid receptor evolution Nature 512, 203–207 (14 August 2014) doi:10.1038/nature13410 Received 24 January 2014 Accepted 28 April 2014 Published online 15 June 2014
[4] Douglas P Anderson Dustin S Whitney Victor Hanson-Smith Arielle Woznica William Campodonico-Burnett Brian F Volkman Nicole King Joseph W Thornton Kenneth E Prehoda Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.10147 Published January 7, 2016 Cite as eLife 2016;5:e10147
[5] Jeffrey I Boucher Joseph R Jacobowitz Brian C Beckett Scott Classen Douglas L Theobald An atomic-resolution view of neofunctionalization in the evolution of apicomplexan lactate dehydrogenases DOI: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.02304 Published June 25, 2014 Cite as eLife 2014;3:e02304
[6] Kathryn M. Hart, Michael J. Harms, Bryan H. Schmidt, Carolyn Elya, Joseph W. Thornton, Susan Marqusee Thermodynamic System Drift in Protein Evolution PLOS Biology Published: November 11, 2014http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.1001994
[7] Alesia N. McKeown4, Jamie T. Bridgham, Dave W. Anderson, Michael N. Murphy, Eric A. Ortlund, Joseph W. Thornton Evolution of DNA Specificity in a Transcription Factor Family Produced a New Gene Regulatory Module Cell DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.09.003
[8] C. Wilson, R. V. Agafonov, M. Hoemberger, S. Kutter, A. Zorba, J. Halpin, V. Buosi, R. Otten1, D. Waterman, D. L. Theobald, D. Kern Using ancient protein kinases to unravel a modern cancer drug’s mechanism Science 20 Feb 2015: Vol. 347, Issue 6224, pp. 882-886 DOI: 10.1126/science.aaa1823
[9] Thyagarajan B, Bloom JD The inherent mutational tolerance and antigenic evolvability of influenza hemagglutinin. Elife. 2014 Jul 8;3. doi: 10.7554/eLife.03300.

2. Temmuz 2016

Kişiye özgü kanser tedavisi

Kanser farklı genetik ve çevresel etmenlerin etkileşimi ile ortaya çıkan, dünyada en yaygın görülen ve görülme sıklığı her yıl artan, kompleks bir hastalık. Temel olarak, farklı organlardaki hücrelerin kontrolsüz çoğalması sonucu ortaya çıkar. Klinik fenotipi ve tedavi yaklaşımları da birbirinden farklılıklar göstermektedir.

Tüm Dünya’da kanser verilerini toplayan ve yayınlayan GLOBACAN’in verilerine göre 2012’de dünyada toplam 14,1 milyon yeni kanser vakası gelişti ve 8,2 milyon kansere bağlı ölüm gerçekleşti (1). Dünya’da en çok tanı konulan kanserler akciğer (%13,0), meme (%11,9) ve kolon (%9,7) iken, kanserden ölümler ise en çok akciğer (%19,4), karaciğer (%9,1) mide (%8,8) ve beyin (%2,4) kanserlerinden gerçekleşti (2).

Kanser ve genetik ilişkisi

Bazı kanser türleri ve genetik faktörler arasında doğrudan ya da dolaylı ilişki bulunuyor. Günümüzde, meme kanseri, lösemi, myeloma, bağırsak, mide, melanoma ve akciğer kanserleri ile ilişkili olarak, BRCA1/2, BCR-ABL, JAK2, TP53, ALK, KRAS, BRAF IGHV ve KIT gibi genlerindeki mutasyonların (değişinimlerin), hem tanı amaçlı hem de kanserin prognozu (muhtemel seyri) ile ilgili olarak tedaviye yanıt başarısının tahmin edilebilmesi için test ediliyor.

Özellikle ailesel kanser vakalarında genetik testler ile kansere yatkınlık ve kanser gelişme riskinin belirlenmesi mümkün olabiliyor. Genetik testler sadece kanserin erken tanısı ya da prognozunun tahmini için değil, genetik etkileşimin türüne ve içeriğine bağlı olarak en doğru tedavinin seçilmesine de yardımcı olmakta. Bu sayede hem tedavi sürecinde gereksiz ilaç kullanımı azaltılmakta, etkin tedaviye erken başlayarak sağ kalım süresinin ve tedavi başarısının uzatılması sağlanmakta hem de kanser tedavisinin maliyeti düşürülmekte.

Moleküler biyoloji ve biyoteknoloji alanındaki gelişmelere paralel olarak, kanserde genetik belirteçlerin araştırıldığı testler, hastaların biyopsi ya da tümör dokusu örneklerinden ve kanda dolaşan serbest tümör hücrelerinden yapılabilmekte.

Kanser hücreleri doğası gereği, kontrolsüz çoğalma ile birlikte bir taraftan da hücrelerin ölmesi ya da parçalanması sonucu genomik materyallerini (DNA) hücre dışına, oradan da kana aktarmaktadır. Tümör hücrelerine ait DNA kanda serbest halde dolaşabildiği gibi, tümörün farklı organlarda tekrar köken alabilmesine de katkı sağlamaktadır. Miktar olarak çok düşük seviyelerde olsa da dolaşan tümör DNA’ları büyümekte ve gelişmekte olan ya da hali hazırda var olan kanserin tanısı ve nasıl ilerleyeceği hakkında fikir vermektedir.

Özellikle daha görüntüleme teknikleri ile tespit edilebilir büyüklükte olmayan ya da yeterli büyüklükte olupta biyopsi ve cerrahi gibi girişimsel tekniklerin uygulanamadığı kanser riski taşıyan kişilerde, kanserin erken tanısı ve oluşumunun önlenebilmesi için kanda dolaşan tümör DNA’larının tespiti ve bu DNA’ların taşıdığı genetik mutasyonların belirlenmesi ile mümkün olabilmektedir.

Kanserde kişiye özgü tedavi

Kanserde tedavi kanserin kökeni, yerleştiği organ ve hücre türüne göre farklılık göstermekle birlikte yaygın yöntem cerrahi, kemoterapi ve radyoterapidir. Bunun yanı sıra kansere sebep olan hücre türüne ait bilgi birikimimizin ve hedefli tedavide kullanılan biyomoleküllerin artmasına paralel olarak, hormon ve hedef odaklı biyo moleküller (spesifik antikor, anti-anjiojenik ajanlar vb.) kullanılıyor.

Bu yöntemler ayrı ayrı ya da aşama aşama uygulanabileceği gibi kombine bir şekilde de uygulanabilmekte. Her yöntemin farklı yan etkileri ve başarı oranları var. Farklı tedavi yöntemlerine hastanın vereceği cevap ise hastanın taşıdığı genetik varyasyonlara göre tahmin edebilmek ve tedaviyi ona göre yönlendirebilmek, kişiye özgü tedavi yöntemleri ile mümkün olabiliyor. Her kanser hastasının sahip olduğu genetik varyasyonlar birbirinden farklı olduğu ve her varyasyonun tedaviye etkisi farklı düzeyde olduğu için, hem tanı hem de prognoz açısından tüm kanser hastalarının ya da kanser riski taşıyan bireylerin genetik profillerinin belirlenmesi tedavi açısından önem taşımakta.

Bu amaçla yukarıda bahsedildiği gibi hastaların tümör dokusunda ya da kanında dolaşan serbest tümör DNA’sında yapılacak olan genetik analiz ile kişinin kanser ilişkili genlerindeki varyasyonlar belirlenerek, hem doğru tanı hem de doğru tedavi seçenekleri değerlendiriliyor. Farklı kanser türleri için tanımlayıcı ya da bilgilendirici genler içeren birözet tablo aşağıda verilmiştir (3).

Beyin tümörleri laboratuvarları

Örneğin BRCA1/2 genleri analiz edilerek, bir meme kanseri hastasının ailesel bir kanser riski taşıdığı ve ailenin sağlıklı bireylerinde kanser riskinin araştırılması ve koruyucu önemler alınması gerekmektedir. Ya da, BRAF geninde mutasyon taşıyan bir melanoma hastasının tedavisinde spesifik olarak BRAF inhibitörlerinin ilk aşamada kullanılması tedavinin başarısını artırırken, metastatik kolon kanseri olan bir hastada BRAF mutasyonlarının olması alkilleyici kemoterapötiklerin tedavide başarılı olmayacağı bilgisini sunmaktadır.

Bu bilgi her hastada ayrı ayrı değerlendirilerek cerrahi öncesi ya da sonrasında doğru kemotörapatiklerin kullanımını sağlayacak ve tedavi başarısı ile sağ kalım süresini artıracaktır.

Bahçeşehir Üniversitesi Tıp Fakültesi olarak “Kişiye Özgü Beyin Tümörleri Laboratuvarı”nda özellikle düşük evreli gliomalar ve hipofiz tümörlerinin prognozunu önceden belirleyebilmek için cerrahi sonrası tümör dokularında ya da hastalardan elde edilen kanda dolaşan serbest tümör DNA’sı yeni nesil genetik dizileme yöntemleri ile analiz edilmekte ve hastanın taşıdığı mutasyonlara ya da farklı genlerin üretim miktarlarına bağlı olarak, düşük evreli gliomanın yüksek evreye dönüşme riski ya da hipofiz tümörlerinin tekrar etme riski konusunda hastaya bilgi verilmekte. Yine farklı genlerdeki genetik varyasyonlara bakılarak farklı beyin tümörleri için cerrahi sonrası ilk aşamada kullanılacak ilacın türü belirlenebilmekte.

Kanser Türü	Gen	Tanı ya da tedaviye etkisi
Tanı amaçlı testler
Akut lösemi	PML-RARA	Lösemilerin Dünya sağlık örgütü (WHO) sistemine göre sınıflandırılması
	BCR-ABL1
	CBFB-MYH11
	RUNX1-RUNX1T1
Myeloproliferatif kanserler	JAK2	Mutasyon varlığında tanı konulur
Sarkomalar	EWSR1-FLI1	Ewing sarkoması
	EWSR1-ERG	Ewing sarkoması
	EWSR1-NR4A3	Miksiod kondrosarkoma
	TAF15-NR4A3	Miksiod kondrosarkoma
	FUS-CREB3L2	Düşük evreli fibromiksoid sarkoma
	FUS-DDIT3	Miksoid Liposarkoma
Meme kanseri	BRCA1 – BRCA2	Kansere ailesel yatkınlık
Prognostik testler
Kronik Lenfositik Lösemi (CLL)	TP53	Mutasyon, kötü prognozun göstergesidir
Kronik Lenfositik Lösemi (CLL)	IGHV	Mutasyon olmaması kötü prognozun göstergesidir
Akut myeloid lösemi (AML)	FLT3-ITD	Mutasyon, kötü prognozun göstergesidir
Metastatik kolorektal kanser (mCRC)	BRAF	Mutasyon, kötü prognozun göstergesidir
Tedaviye yanıt amaçlı testler
Akciğer kanseri	EGFR	Mutasyonlar Tirozin kinaz inhibitörlerine etkili cevap verileceğini gösterir
Akciğer kanseri	ALK	Genetik varyasyonlar ALK inhibitörlerine etkili cevap verileceğini gösterir
Mide bağırsak kanserleri	KIT ve PDGFRA	Mutasyonlar c-KIT/PDGFRA inhibitörlerine etkili cevap verileceğini gösterir
Kolorektal kanserler	KRAS	Mutasyonlar anti-EGFR reseptörlerine cevap alınamayacağını gösterir
Melanoma	BRAF	Mutasyonlar BRAF inhibitörlerine etkili cevap alınacağını gösterir
Meme kanseri	HER2	Genin ifade miktarının anti-HER2 antikorlarına etkili cevap alınma seviyesini gösterir
Astrositoma	PTEN	Temazolamid ya da polimeraz inhibitörlerine etkili cevap alınıp alınamayacağını gösterir

Kaynak: HerkeseBilimveTeknoloji

Yrd. Doç. Dr. Timuçin Avşar, Bahçeşehir Üniversitesi Tıp Fakültesi, Tıbbi Biyoloji ABD
Prof. Dr. Türker Kılıç, Bahçeşehir Üniversitesi Tıp Fakültesi, Beyin ve Sinir Cerrahisi ABD

Referanslar:

GLOBACAN 2012 : Estimated Cancer Incidence, Mortality and Prevelance Worldwide (http://globocan.iarc.fr/Default.aspx)
Sağlık Bakanlığı Kanser Daire Başkanlığı, Kanser İstatistikleri, (http://kanser.gov.tr/daire-faaliyetleri/kanser-istatistikleri.html)
Gonzalez de Castro, D., Clarke, P. A., Al‐Lazikani, B., & Workman, P. (2013). Personalized cancer medicine: molecular diagnostics, predictive biomarkers, and drug resistance. Clinical Pharmacology & Therapeutics, 93(3), 252-259.

2. Temmuz 2016

Elektronla Beslenen Mikropların Gizemi Çözülüyor

Geçtiğimiz yıl biyofizikçi Moh El-Naggar ve lisansüstü öğrencisi Yamini Jangir, Güney Dakota’da bulunan ve şu anda ünlü karanlık madde deneyi LUX‘a ev sahipliği yapan eski bir altın madenine indiler. Bugünlerde orayı tavaf eden pek çok bilimcinin aksine, El-Naggar ile Jangir’in orada olma nedeni atomaltı parçacık avlamak değildi. İkili madenin geçit tünelleri ağında paslanmış bir metal boru buldu. Borunun içinde kalan suyun bir kısmını sifonla çekip, bir kaba yönlendirdiler ve çeşitli elektrotlar yerleştirdiler. Şimdiye kadar çok az incelenebilmiş olan avlarını, yani saf elektrikle beslenen mikrobu, işte bu akımla cezbetmeyi umuyorlardı.

Araştırmacıların peşinde olduğu elektrik yiyen mikroplar, bilim dünyasının yeni yeni anlamaya başladığı çok daha geniş bir organizmalar sınıfına ait. Genellikle insan eli değmemiş ortamlarda yaşıyorlar: Denizlerin derinliklerindeki hava baloncuğu alanlarında, gezegen yüzeyinin derinliklerindeki zengin mineral yataklarında, okyanus tabanının birkaç santim altındaki çöküntülerde… Bu mikroplar yaşamın büyük ölçüde görmezden gelinmiş bir parçasını temsil ediyorlar. Bunun bir nedeni de, tuhaf yaşam alanlarının onları laboratuvar ortamında yetiştirmeyi aşırı zorlaştırmasından kaynaklanıyor.

Yapılan araştırmalar bu canlılardan bolca bulunduğunun da işaretini veriyor. Güney Kaliforniya sahili açıklarında bulunan Katalina Adası’na yakın deniz tabanından toplanan örnek mikroplar, şaşırtıcı bir çeşitlilik sergiliyor. Bu canlılar mineral veya metal yiyip soluyor ve elektron tüketip salıyor. El-Naggar’ın ekibi altın madeninden elde ettikleri verileri çözümlemeye devam ediyor ve şu ana kadar yaptıkları çıkarımların Katalina bulguları ile uyumlu olduğunu belirtiyorlar. Bilimciler şu ana kadar bu mikropları bulabileceklerini düşündükleri bir yerde (minerali bol, oksijeni az yerlerde) ne zaman arasalar, hep buldular.

Elektron yiyicilerin sayısı artarken, bilimciler onların nasıl işlediğini de anlamaya başladı. Bir mikrop bir parça metalden nasıl elektron koparıp yiyebilir? İşi bittiğinde de nasıl elektronu ortama geri salabilir? Geçtiğimiz yıl yayımlanan bir çalışmada, bu mikroplardan birinin elektriksel avını nasıl yakalayıp tükettiği açığa çıkarılmıştı. Henüz yayımlanmamış olan bir başka çalışma ise metal yiyicilerden bazılarının elektronları doğrudan zarlarından aktardığına işaret ediyor; ki bunun imkansız olduğu sanılıyordu.

Elektrik Yiyiciler: Bazı mikroplar sırf elektriğe dayalı bir yaşam sürebilir. Doğrudan Alım (mor mikrop): Bazı durumlarda mikrop, elektrottan bir elektronu doğrudan emebilir. Dolaylı Alım (yeşil mikrop): Diğer mikroplar elektrottan bir elektron alıp, sudan aldığı protonla çiftleyen bir enzim salgılar. Mikrop, ortaya çıkan hidrojen ile beslenir.

Taş Yiyiciler

Elektrik yemek çok acayip gibi görünse de, aslında yaşamın merkezinde elektrik akımı vardır. Tüm organizmalar enerji üretmek ve depolamak için bir elektron kaynağına gereksinim duyar. Ayrıca işleri bittiğinde bu elektronlardan kurtulabilmeleri de gerekir. Nobel ödüllü fizyolog Albert Szent-Györgyi bir keresinde bu canlıları tanımlarken şöyle demiştir: “Yaşam, dinlenecek yer arayan bir elektrondan başka bir şey değildir.”

İnsanlar ve diğer canlıların çoğu elektronlarını yiyeceklerden sağlar ve solunum yoluyla onları dışarı atar. El-Naggar ve diğer bilimcilerin yetiştirmeye çalıştığı mikroplar, “taş yiyiciler” (İng. lithoautotrophs) adı verilen bir gruba aitler. Bu canlılar demir, sülfür ve manganez gibi inorganik maddelerden enerji toplar. Doğru koşullar altında, sadece elektriğe bağlı olarak yaşayabilirler.

Bu mikropların görünüşte elektronları mideye indirebiliyor olması (“doğrudan elektron aktarımı” olarak da bilinir) çok ilgi çekici. Çünkü biyofiziğin temel kurallarını ihlal ediyor gibi görünüyor. Hücreleri çevreleyen yağlı zarlar yalıtkan görevi görerek, elektronların geçmesinin mümkün olmadığı düşünülen, elektriksel olarak nötr bir alan oluşturur. “Hiç kimse bir bakterinin hücrenin içinden bir elektron alıp, dışarı taşıyabileceğine inanmak istemedi,” diyor jeobiyolog Kenneth Nealson¹.

1980’lerde Nealson ve çalışma arkadaşları, katı minerallere doğrudan elektron aktarabilen şaşırtıcı bir grup bakteri keşfetmişti. Bu işin ardında yatan moleküler mekanizma ise ancak 2006 yılında anlaşılabildi. Hücre zarında bulunan üç adet özelleşmiş protein, elektronları hücrenin dışına aktaran iletken bir köprü inşa ediyordu². (Bilimciler elektronların zar boyunca kendi başlarına geçip geçmediklerini hala tartışıyor.)

Bu elektron bağışçılarından esinlenen bilimciler, mikropların tam tersini de yapıp yapamayacağını merak etmeye başladı. Enerji kaynağı olarak doğrudan elektron sindirebilirler miydi? Metanojen adı verilen bir mikrop grubuna odaklandılar. Metan yapmalarıyla ünlü olan bu mikropların çoğuna tam bir metal yiyici denemezdi. Fakat 2009 yılında Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden çevre mühendisi Bruce Logan ve çalışma arkadaşları, ilk kez olarak bir metanojenin sadece bir elektrottan gelen enerjiyi kullanarak hayatta kalabileceğini gösterdi³. Ekip mikropların elektronları doğrudan emdiğini öne sürdü. Bunu, elektron üreticilerin elektronların hücre dışına atmak için kullandığına benzer bir köprü ile yapıyor da olabilirlerdi. Fakat doğrudan kanıt bulunamadı.

Geçtiğimiz yıl Stanford Üniversitesi’nden mikrobiyolog Alfred Spormann ve çalışma arkadaşları, Logan’ın kuramında bir açık yakaladı. Bu organizmaların elektrotlar üzerinde çıplak elektron yemeden hayatta kalabilecekleri bir yol olduğunu gösterdiler⁴. Spormann’ın incelediği mikrop olan Methanococcus maripaludis, elektrotun yüzeyine yapışan bir enzim salgılıyordu. Enzim, elektrottaki elektronlardan biri ile sudaki protonlardan birini çift haline getirerek, bir hidrojen atomu yaratıyordu. Metajonler arasında bu iyi bilinen bir besin kayanğıdır. “İletken bir patikaya sahip olmak yerine enzim kullanıyorlar. İletken malzemelerden bir köprü inşa etmelerine gerek kalmıyor,” diyor Minnesota Twin Cities Üniversitesi’nden mikrobiyolog Daniel Bond.

Mikroplar çıplak elektron yemiyor olmakla birlikte, sonuç yine de şaşırtıcı. Enzimlerin çoğu hücre içinde iyi çalışır ama dışarda verimi hızla düşer. “Burada alışılmadık olan, enzimlerin elektrot yüzeyinde toplandıklarındaki durağanlıkları,” diyor Spormann. Önceki deneylerde bu enzimlerin hücre dışında sadece birkaç saat aktif kalabildiklerini düşündürecek sonuçlar elde edilmişti. Fakat Spormann’ın ekibi 6 saate kadar aktif kalabildiklerini gösterdi.

Spormann ve meslektaşları yine de hala metanojenlerin ve diğer mikropların doğrudan elektrik emebileceğini düşünüyor. “Bu doğrudan elektron aktarımına alternatif olan bir mekanizma ve doğrudan elektron aktarımının yapılamayacağı anlamına gelmiyor,”diyor Cornell Üniversitesi’nden çevre mühendisi Largus Angenent. Spormann, kendi ekibinin çıplak elektron alma becerisi olan bir mikrop bulduğunu da ekliyor. Fakat henüz ayrıntıları yayımlamadılar.

Bilimciler suya elektrik akımı aktararak, mikropları çekmeye çalışıyor. (Telif: Connie A. Walter &Matt Kapust)

Mars’taki Mikroplar

Gezegendeki tüm organizmaların çok küçük bir bölümü, sadece %2 kadarı laboratuvarda yetiştirilebiliyor. Bilimciler, bu yeni yaklaşımlar (mikropları geleneksel kültür sistemleri içinde değil, elektrot üzerinde yetiştirmek) sayesinde şimdiye dek incelenemeyen mikroplar üzerinde de çalışabilmeyi umuyor. “Minerallerin yerine elektrot kullanmak, bu alanı açıp genişletmemize yardımcı oldu. Artık bakterileri yetiştirmek ve solunumlarını izleyerek fizyolojilerini görmek için bir yönteme sahibiz,” diyor Dr. Annette Rowe. Kendisinin bu konuda başarılı çalışmaları var.

2013 yılında Rowe, Kaliforniya’nın Katalina Adası’nı çevreleyen demirce zengin çöküntülerde mikrop aramaya gitmiş. Elektriksel mikropların en az 30 yeni çeşidini keşfeden Rowe, bulgularını geçen yıl yayımladı⁵. Bu çalışmadan önce mikropların inorganik maddelerden elektron çekebildiğini kimse bilmiyordu. Bu beklenmedik bir şeydi. Balıkçıların balıkları çekmek için farklı yemler kullanması gibi, Rowe farklı gerilimlerdeki elektrotlar kullanarak değişik mikroplar yakaladı. Ağına bir şey takıldığını akımın değişmesinden anlıyordu. Mikroplar negatif elektrottan elektron emdiğinden, metal yiyiciler negatif bir akım üretiyordu.

Rowe’un topladığı farklı bakteri türleri, değişik elektriksel koşullar altında gelişiyordu. Bu da onların elektron yemek için farklı stratejilere başvurduklarına işaret ediyor. “Her bakteri farklı enerji düzeylerinde elekton alımı gerçekleştiriyor. Bu da farklı yolların işareti olmalı diye düşünüyoruz,” diyor Rowe. Şu anda başka mikroplar için yeni ortamlarda arama yapan Rowe, asitliği düşük derin kaynaklardan gelen sıvılara yoğunlaşmış. Ayrıca El-Naggar’ın altın madeni deneyine de katkıda bulunuyor.

Mikropların katı yüzeylerle bu tür bir beslenme ilişkisi geliştirebileceğinin daha çok yeni anlaşıldığını söyleyen El-Naggar, araştırmalarının dünya üzerinde yaşamın nasıl başladığına ilişkin yanıtlar da sağlayabileceğini ifade ediyor. Yaşamın kökenine ilişkin kuramlardan birinde, mineral yüzeylerde başlamış olabileceği tahmin ediliyordu. Araştırmalar buna ilişkin kimi boşlukları doldurabilir.

Dahası, yüzeyin altındaki metal yiyiciler, başka gezegenlerdeki yaşama ilişkin de ipucu verebilir. Belki de uzaylı mikroplar gezegen yüzeyinin altında gizlidir. El-Naggar, Mars gibi uç koşullara sahip ortamlarda yaşam formları bulma olasılığının kendisini heyecanlandırdığını belirtiyor. Altın madeninde yürüttüğü deneyin finansmanını NASA’nın Astrobiyoloji Enstitüsü’nün karşıladığını da ekleyelim. Mars, demir bakımından zengin bir gezegendir ve yüzeyinin altında su akıntıları bulunuyor. “Eğer demirden elektron alabilen bir sisteminiz ve biraz suyunuz varsa, işleyen bir metabolizmaya gerekecek tüm malzemeniz var demektir,” diyor El-Naggar. Bu da Mars’ta metal yiyicilerin bulunmasının hiç de zor olmadığı anlamına geliyor.

Yamini Jangir, Moh El-Naggar’ın laboratuvarında çalıştığı dönemde Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’ndeki bir borudan su örneği alırken görülüyor. (Telif: Connie A. Walter &Matt Kapust)

Kaynaklar:

Bilimfili,
Quanta Magazine, “New Life Found That Lives Off Electricity”
< https://www.quantamagazine.org/20160621-electron-eating-microbes-found-in-odd-places/ >
Quanta Magazine, “How to Grow Metal-Eating Microbes”
< https://www.quantamagazine.org/20160621-how-to-grow-metal-eating-microbes/ >

Notlar:
[1]

Click here to display content from YouTube.
Learn more in YouTube’s privacy policy.

Always display content from YouTube

[2] Gorby YA, Yanina S, McLean JS, Rosso KM, Moyles D, Dohnalkova A, Beveridge TJ, Chang IS, Kim BH, Kim KS, Culley DE, Reed SB, Romine MF, Saffarini DA, Hill EA, Shi L, Elias DA, Kennedy DW, Pinchuk G, Watanabe K, Ishii S, Logan B, Nealson KH, Fredrickson JK. Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Jul 25;103(30):11358-63. Epub 2006 Jul 18.
[3] Cheng S, Xing D, Call DF, Logan BE. Direct biological conversion of electrical current into methane by electromethanogenesis. Environ Sci Technol. 2009 May 15;43(10):3953-8.
[4] Deutzmann JS, Sahin M, Spormann AM. Extracellular enzymes facilitate electron uptake in biocorrosion and bioelectrosynthesis. MBio. 2015 Apr 21;6(2). pii: e00496-15. doi: 10.1128/mBio.00496-15.
[5] Rowe AR, Chellamuthu P, Lam B, Okamoto A, Nealson KH Marine sediments microbes capable of electrode oxidation as a surrogate for lithotrophic insoluble substrate metabolism. Front Microbiol. 2015 Jan 14;5:784. doi: 10.3389/fmicb.2014.00784. eCollection 2014.