DNA Eşlenmesindeki Evrimsel Gizem: Eşlenme Yönü

DNA Eşlenmesindeki Evrimsel Gizem: Eşlenme Yönü

Ters yönlü çalışan bir enzimin mekanizmasını inceleyen bilim insanları, DNA eşlenmesinin her zaman ileri yönde gerçekleşen bir biyolojik fenomen olduğu kanısına vardı. Burada bir kafa karışıklığına yer bırakmamak adına, DNA eşlenmesinin her iki zincirde de gerçekleştiğini ve 5′ (fosfat ucu) uçtan, 3′ uca (riboza bağlı hidroksil grubu) doğru gerçekleşmekte olduğunu belirtelim.

DNA ve RNA gibi nükleotitlerden oluşmuş olan zincirler, hali hazırda var olan zincirlerin kopyalarının üretilmesi yolu ile sentezlenir. Bu kopyalama olayı da her zaman ‘ileri’ yönde yani belirli bir uçtan diğer uca doğru gerçekleşir. DNA zincirleri birbirlerine zıt yönde dizili olduğundan, eşlenme sırasında tıpkı bir fermuar gibi bir uçtan açılarak her iki zincir için de ayrı eşlenme yani açılan karşı zinciri oluşturma süreci başlar.

Bu noktada DNA zincirlerinden birisi yani 3′ ucu açılmış olan zincire ard arda düzenli biçimde ve sırasıyla nükleotitler eklenerek o zincirin eşlenmesi gerçekleşirken; DNA zincirleri birbirine zıt yönlü olduğundan ayrılma sırasında 5′ ucu açılan zincire ise yine yönü 5′ – 3′ yönlü farklı nükleotit sayılarına sahip oligonükleotitler denen DNA parçaları bağlanarak eşlenir. Bu hali ile aslında her iki zincirde de 5′ yönden 3′ yöne doğru bir DNA eşlenmesi gerçekleşir. Asıl soru da burada ortaya çıkıyor: “Neden hücreler, iki zincirde de aynı verimlilikte DNA eşlenmesi sağlayacak ters-yönlü çalışan (3′ uçtan 5′ uca) bir enzime sahip değil?”

Son dönemde, Thg1-like proteins (TLPs) adı verilen ve ters yön olarak tanımlanan 3′ ucundan 5′ ucu yönüne doğru nükleotit ekleyen proteinler keşfedilmişti. Bu şekilde zıt yönlü nükleotit ekleyen moleküllerin son derece nadir olduğu biliniyor. TLP’ler de hasarlı RNA moleküllerinde zıt ucun ters yönde tamir edilmesini veya düzeltilmesini sağlayan proteinler olarak işlev görüyor.

Bu noktayı şöyle açıklayabiliriz; RNA molekülleri tek zincirli yapılar olduğu için normal düzende 5′ uçtan 3′ ucuna doğru nükleotitlerin eklenmesi ile sentezlenir. Ancak ilk eklenen nükleotitlerde yani 5′ uçtaki birimlerde hasar olduğu zaman RNA molekülleri TLP’ler gibi ters yönlü nükleotit ekleyen proteinlere ihtiyaç duyarlar. Aksi takdirde hata düzeltilemez veya sayısız hastalığa sebep olabilecek veya en iyi ihtimalle üretilen RNA’nın kullanılamamasına ve bozunmasına sebep olacaktır.

DNA-eslenmesi-gizemi-cozuluyor-bilimfilicom

Çalışmada X-ışını kristalografi tekniği ile üç boyutlu yapıları ve birbirlerine göre konumları çözümlenen TLP kompleksi ve tRNA’lar-Telif : Kimura S. et al., Science Advances,

Science Advances’da yayımlanan yeni bir makalede Hokkaido University’den Min Yao ve ekibi, X ışını kristalografi (X-ray crystallography) tekniğinden yararlanarak TLP/RNA kompleksi yapılarını ve doğasını incelemeye koyuldu. Araştırmacılar bu yolla TLP’lerin ters yönde nükleotit ekleme görevini nasıl gerçekleştirdiğini ve belki de hücrelerde neden bu tip çalışan moleküllerin DNA eşlenmesi sırasında da çalışacak kadar yoğun bulunmadıklarını anlamayı hedefledi.

Yapılan yapısal analizler iki aşamalı bir sürecin varlığını ortaya koydu: enerji-verici moleküller işe dahil oluyor ve göreve başlıyor; daha sonra da nükleotit ekleniyor. Üstünkörü olarak bu şekilde özetlense de; ikinci aşama ‘ileri’ yönlü süreçte de mevcut.  Ters yönlü sürece özel olarak yalnızca enerji ihtiyacının baştan karşılanması veya başka bir deyişle enerjinin işe başlaması bulunuyor. Belli ki enzim; bu enerji işe alımını, yönü  ileriden ‘ters’e çevirmek üzere kullanıyor.

Araştırma ekibi, ulaştıkları sonuçlar üzerinden, DNA eşlenmesinin ters-yönlü enzimleri kullanamayacağını çünkü yapısal olarak çok daha karmaşık süreçleri barındırdığını ve de gerektirdiğini öne sürdü.

Ancak araştırmacılar, ileri ve ters yönlü olan mekanizmaların daha detaylı olarak incelenmesi ile DNA eşlenmesinin evrimsel kontekstini daha iyi anlaşılabileceğini öne sürüyor.


Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Hokkaido University Web Sitesi, Uncovering the mystery of DNA replication, 13 Temmuz 2016 , https://www.oia.hokudai.ac.jp/blog/uncovering-the-mystery-of-dna-replication/

Makale Referans : S. Kimura, T. Suzuki, M. Chen, K. Kato, J. Yu, A. Nakamura, I. Tanaka, M. Yao. Template-dependent nucleotide addition in the reverse (3′-5′) direction by Thg1-like protein. Science Advances, 2016; 2 (3): e1501397 DOI: 10.1126/sciadv.1501397

En Temel Ölçekte Evrim: Amino Asit Sıra Değişimleri

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.

Daha yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

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.

Daha yüksek boyutta görmek için görselin üzerine tıklayın.

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 GKPID (PID: protein etkileşim alanı. [İng. protein-interaction domain]) adı verilen ve bölünme sırasında iskele görevi görerek hücrelerin yönelimlerini düzenleyen bir parçasına odaklandı. GKPID‘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.

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.

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.

Elektronla Beslenen Mikropların Gizemi Çözülüyor

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.

[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.

Un Kurtları Plastikleri Tüketebiliyor

Çöpler büyük bir sorundur. Pek çoğumuz geri dönüştürmeye yardım etmek için üzerimize düşeni yapsak da, sadece ABD’deki geri dönüştürülemeyen ve atılmış plastik miktarı, tek kullanımlık kahve bardakları gibi şeyler yüzünden (Amerikalılar tarafından her yıl bunlardan 2.5 milyar tane atılıyor) yıllık 30 milyon tona yaklaşıyor.

Araştırmacılar şimdi ilk kez, bir hayvanın bağırsağında bulunan bakterinin, biyolojik öğelerin yardımıyla plastiği güvenli bir şekilde çözebileceğini ve muhtemelen katı atık sahasındaki veya başka herhangi bir yerdeki plastiğin çevreye olan etkisini azaltmaya yardımcı olabileceğini, detaylı kanıtlar elde ederek keşfettiler. Söz konusu hayvan kim mi? Naçizane un kurdu..

ABD’deki Stanford Üniversitesi ve Çin’deki Beihang Üniversitesi’nin liderlik ettiği araştırmacılar, un kurdunun (Tenebrionidae böceğinin larva hali) Strafom ve diğer polisitren türleri ile beslenerek güvenli bir şekilde hayatını devam ettirebileceğini, çünkü kurdun bağırsaklarında bulunan bakterinin, sindirim işleminin parçası olarak plastiği biyolojik olarak çözdüğünü buldular. Bulgular önemli çünkü daha önce bu maddelerin biyolojik olarak çözünemeyeceği düşünülüyordu ve bu da sonunda atık sahasına atıldıkları anlamına geliyordu (veya daha kötüsü, okyanuslara atılarak on yıllar boyunca birikiyorlardı).

Tezin eş yazarı, Stanford Üniversitesi’nde İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü’nde kıdemli bir araştırma mühendisi olan Wei-Min Wu, bir ifadesinde şöyle söyledi: “Elde ettiğimiz bulgular, küresel plastik kirlenmesi sorununu çözmede yeni bir kapı açtı.”

Çalışmada, 100 un kurdu her gün 34 ile 39 miligram arası Strafom yedi ve bunların yaklaşık yarısını karbondiokside, boşalttıkları diğerlerini de biyolojik olarak çözünmüş gübreye dönüştürdü. Plastik ile beslenirken sağlıklı kaldılar ve görünüşe göre dışkıları, mahsuller için gübre olarak kullanılmak üzere güvenliydi.

İnsanların her yıl tükettiği plastik miktarıyla karşılaştırıldığında, un kurtlarının atık ürünlerimizi işleme verimi kulağa fazla gibi gelmeyebilir, fakat ileride yapılacak araştırmalar sayesinde plastikleri çözmek için daha güçlü enzimler üzerinde mühendislik yapabilir ve polipropilen, mikroboncuklar ile biyoplastikler dahil diğer dayanıklı plastik türlerini işleyebiliriz.

Araştırmacılar ayrıca un kurdunun denizde yaşayan bir benzerinin olup olmadığını bulmaya çalışıyorlar, çünkü dünya okyanuslarındaki yüz binlerce plastik, şu an bir çevre endişesine sebep oluyor.

Araştırmayı idare eden inşaat ve çevre mühendisliği profesörü Craig Criddle, şöyle söylüyor: “Gerçekten önemli araştırmaların tuhaf yerlerden çıkma ihtimali var. Bazen bilim bizi şaşırtıyor.”

Kaynak:

  • Bilimfili,
  • Yu Yang, Jun Yang, Wei-Min Wu, Jiao Zhao, Yiling Song, Longcheng Gao, Ruifu Yang, and Lei Jiang Biodegradation and Mineralization of Polystyrene by Plastic-Eating Mealworms: Part 1. Chemical and Physical Characterization and Isotopic Tests Environ. Sci. Technol., 2015, 49 (20), pp 12080–12086 DOI: 10.1021/acs.est.5b02661 Publication Date (Web): September 21, 2015

Egzersiz Beyin Hücrelerini Nasıl Canlandırır?

Yaşlandıkça veya Alzheimer benzeri nörodejeneratif hastalıklar geliştirdikçe, beyin hücrelerimiz tamamen fonksiyonel olmalarını sağlayacak yeterli enerji üretememeye başlarlar.

Yeni bir çalışma ile, araştırmacılar tarafından SIRT3* adı verilen ve mitokondride bulunan enzimin, enerji kaybına yol açan (bahsi geçen ve) benzer gerilimlere karşı fare beynini koruyabilecek etkiler üretebileceği keşfedildi. Dahası tekerleklerde koşturulan farelerin bu koruyucu enzimi daha fazla üreterek, yüksek seviyelerde bulundurdukları gösterildi.

National Institute on Aging Intramural Research Program ve Johns Hopkins University School of Medicine’da yürütülen ve Ph.D Mark Mattson’un öncülük ettiği araştırmada yeni bir hayvan modeli kullanılarak nöronların enerji-azaltıcı streslere (nörozehirler ve diğer faktörler ile oluşturulan) gösterdikleri direnç incelendi. Bulguların kısa bir listesi şu yönde :

* SIRT3 üretmeyen fare denekler, nörodejenerasyon (sinir hücrelerinin ölmesi veya yıkılması) ve epileptik nöbetlere yol açan nörotoksinlere maruz kaldıklarında, strese çok daha duyarlı hale geldiler.

* Tekerlekte koşma egzersizi, sinir hücrelerindeki SIRT3 seviyesini artırdı ve dejenerasyona karşı koruma sağladı. Enzimin düşük seviyelerde olması koruma durumunun oluşmasına engel oldu.

* Nöronlar; strese karşı, SIRT3 seviyesini artırmayı sağlayacak gen terapisi teknolojileri ile korunabilir.

Geçtiğimiz günlerde (19 Kasım’da) Cell Metabolism‘de yayımlanan bu araştırmanın bulguları gösteriyor ki; SIRT3 enziminin seviyesini artırarak hücrenin yakıt deposu gibi işleyen mitokondrinin fonksiyonlarını ve strese karşı direnci desteklemek,  yaşlanmaya bağlı bilişsel düşüşleri ve beyin hastalıklarına karşı çok ciddi bir tedavi potansiyeli taşıyor.

SIRT3(sirtuin 3) –  SIR2L3 olarak da bilinir ve 11. kromozomda yer alan aynı adlı geni ve ürünü olan proteini belirtir.

 


Kaynak : Bilimfili, Aiwu Cheng, Ying Yang, Ye Zhou, Chinmoyee Maharana, Daoyuan Lu, Wei Peng, Yong Liu, Ruiqian Wan, Krisztina Marosi, Magdalena Misiak, Vilhelm A. Bohr, Mark P. Mattson. Mitochondrial SIRT3 Mediates Adaptive Responses of Neurons to Exercise and Metabolic and Excitatory Challenges. Cell Metabolism, 2015; DOI:10.1016/j.cmet.2015.10.013

Beynimizi Daha Fazla Yağ Yakılmasını Sağlaması İçin Aldatabiliriz

Avustralya’daki Monash Üniversitesi’nden bilim insanları, doğuştan var olan iki hormonun aktivitelerinin artmasının vücudumuzu daha fazla yağ yakması noktasında uyardığını ortaya çıkardılar.

Yapılan araştırma sonucunda vücudumuzu uyararak beyaz yağ depolarını daha kolay yakılabilen kahverengi yağlara çevirmesine sebep olan moleküler mekanizma ilk kez açığa çıkarıldı.

Ekip; ne kadar yediğimize cevaben pankreas tarafından salgılanan insülin hormonu ile yağ hücreleri tarafından üretilen leptin hormonunun beraber çalışarak, yağ yakımını tetikleyen beyindeki özelleşmiş bir grup nöronu uyardığı bulgusuna ulaştı.
Makale yazarlarından Tony Tiganis: Bu hormonlar beyine vücuttaki yağlılığın kapsamlı bir “fotoğrafını” gönderiyorlar. Sonrasında beyin nöronlar aracılığıyla sırasıyla sinyaller göndererek; beyaz yağların (enerji depolayan) kahverengi yağlara dönüştürülmesini teşvik ediyor. Bu durum da vücut ağırlığının düzenlenmesini sağlıyor ” diyor.
Fakat obezite diyeti gibi durumlarda bir şeyler ters gidiyor ve bu işleyiş yavaşlıyor.

Ekip; ilk kez olarak insülin ve leptin hormonlarının aktivitelerini inhibe ederek vücudumuzdaki fazla yağların yakılmasını durduran, fosfataz olarak bilinen engelleyici bir grup enzimin olduğunu ortaya çıkardı.

Araştırma ekibi aynı zamanda; eğer bu enzimlerin aktivitelerini engellersek, beynimizi daha fazla yağ yakması için “kandırabileceğimizi” açığa çıkardı.

Araştırmacılar çalışmalarında laboratuvar farelerinde bu iki enzimin değerlerini azalttılar. Daha sonra fareleri yüksek yağlı diyete sokarak, leptin ve insülin hormonlarının vücut ağırlığını kontrol edip etmediğini görmek istediler.

Buldukları şey ise inanılmazdı; farelerin ne kadar yediklerinin bir önemi olmadan obezite ve tip 2 diyabetin gelişimine sebep olacak derecedeki diyete ciddi anlamda dirençli hale geldiklerini gözlemlediler.

Cell ‘de yayınlanan çalışmanın bir sonraki ayağı ise bu iki enzimin aktivitelerini yavaşlatıcı bir ilacın geliştirilmesi olacak.

Tiganis:

” Sonuç olarak, bu iki enzimin aktivitesini hedefleyerek insanların kilo verebilmelerine yardımcı olabileceğimizi düşünüyoruz. Beyaz yağların kahverengi yağlara çevrilmesi; kilo kaybı çalışmalarına oldukça heyecan verici bir bakış geliştirdi” diyor.

Peki; eğer vücudumuzdaki fazla yağları yakma mekanizmasını yönetebilirsek, bu yağlar vücudumuzdan nasıl atılacak? Avustralyalı araştırmacılar; daha önce anlattığımız şu çalışmada bu soruya yanıt vermişlerdi; kaybedilen kütleyi karbondioksit olarak dışarı atıyoruz.


Araştırma Referansı :  Bilimfili, Leptin and Insulin Act on POMC Neurons to Promote the Browning of White Fat Dodd, Garron T. et al. Cell , Volume 160 , Issue 1 , 88 – 104 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2014.12.022

Koagülaz

Koagülaz, Staphylococcus aureus’un diğer stafilokok türlerinden tanımlanması ve ayırt edilmesi için bir belirteç görevi gören önemli bir enzimdir. Fibrinojenin fibrine dönüşümünü katalize ederek kan pıhtısı oluşumuna yol açan, termostabil trombin benzeri bir maddedir. İki tür koagülaz vardır: serbest koagülaz ve topaklanma faktörü olarak da bilinen bağlı koagülaz.

Serbest Koagülaz

Serbest koagülaz, bakteri hücresi tarafından çevresine salınan hücre dışı bir enzimdir. Bir plazma pıhtılaşma faktörü ile etkileşime girerek fibrinojenin fibrine dönüşmesine yol açarak kan plazmasının pıhtılaşmasına neden olur. Bu özellik, koagülaz reaksiyonunun bakteri ile aşılanmış plazma içeren bir cam tüpte görünür fibrin pıhtıları oluşturduğu laboratuvar testlerinde kullanılır. Bu test, koagülaz pozitif Staphylococcus aureus ile diğer koagülaz negatif Staphylococcus türleri arasında ayrım yapmak için çok önemlidir.

Bağlı Koagülaz (Topaklanma Faktörü)

Bağlı koagülaz veya topaklanma faktörü, S. aureus’un bakteriyel hücre duvarında bulunur. Plazmadaki fibrinojene doğrudan bağlanarak bakteri hücrelerinin topaklaşmasına veya bir araya toplanmasına neden olur. Bu reaksiyon, bağlı koagülazın varlığının bakterilerin gözle görülür aglütinasyonuna yol açtığı bir slayt testinde gözlemlenir. Slayt testi basitliği ve hızı nedeniyle yaygın olarak kullanılsa da belirli S. aureus suşları için negatif sonuçlar verebilir ve tüp testleri aracılığıyla daha fazla doğrulama yapılmasını gerektirir.

Klinik Uygulamalar ve Tanısal Testler

bir cam içinde koagülaz reaksiyondan oluşmuş fibrin pıhtılaşmaları.

Klinik mikrobiyoloji laboratuvarlarında koagülaz testi, S. aureus’un neden olduğu enfeksiyonların teşhisinde standart bir yöntemdir. Slayt testi hızlı uygulanması nedeniyle yaygın olarak tercih edilmektedir. Bununla birlikte, farklı suşlar arasında topaklanma faktörünün ekspresyonundaki farklılıklar ve kapsül polisakaritleri tarafından olası maskeleme, yanlış negatiflere yol açabilir. Bu nedenle slayt testi negatifse doğrulama için tüp testi yapılması önerilir. Bu zorluklara rağmen koagülaz testleri, S. aureus’u tanımlamadaki doğrulukları ve basitlikleri nedeniyle oldukça kabul görmektedir.

Koagülaz Negatif Stafilokoklar (CoNS)

Tüm stafilokoklar koagülaz üretmez. Koagülaz negatif stafilokoklar (CoNS) olarak adlandırılmayanlar. Bunlar şunları içerir:

  • Stafilokok epidermidis
  • Stafilokok haemolyticus
  • Stafilokok capitis
  • Stafilokok simulanları
  • Stafilokok hominis
  • Stafilokok warneri
  • Stafilokok xylosus
  • Stafilokok lugdunensis
  • Stafilokok saprophyticus

Çoğunlukla S. aureus’tan daha az patojen olmasına rağmen, KNS klinik ortamlarda, özellikle de nozokomiyal enfeksiyonların nedenleri olarak ve implante edilmiş tıbbi cihaz bulunan hastalarda önemlidir.

Tarih

“Pıhtılaşma” terimi, “kıvrılmak” veya “koyulaşmak” anlamına gelen Latince “coagulatio” kelimesinden türetilmiştir. İlk kez 19. yüzyılda bakteriler tarafından üretilen ve kanın pıhtılaşmasına neden olabilecek bir maddeyi tanımlamak için kullanıldı.

Erken Tanıma ve Kavram Yanılgıları

Koagülaz kavramı, eski zamanlara dayanan ilk gözlemler ve açıklamalarla yüzyıllardır bilinmektedir. Hipokrat M.Ö. 5. yüzyılda bazı hayvanların kanının diğer hayvanların kanıyla karıştığında pıhtılaşacağını kaydetmişti. Ancak koagülazın kesin doğası 19. yüzyıla kadar anlaşılamamıştır.

1880’lerde Alman bakteriyolog Robert Koch, Staphylococcus aureus bakterisi üzerinde çalışıyordu. Bakterilerin kanın pıhtılaşmasına neden olabilecek bir madde ürettiğini gözlemledi. Koch bu maddeye “koagülaz” adını verdi ve Staphylococcus aureus’un neden olduğu apse ve diğer enfeksiyonların oluşumundan sorumlu olduğunu gösterdi.

20. Yüzyıl ve Koagülaz Üretiminin Keşfi

20. yüzyılda koagülaz ve bunun bakteriyel enfeksiyonlardaki rolüne yönelik araştırmalarda bir artış görüldü. 1930’larda Amerikalı mikrobiyolog Rebecca Lancefield, Staphylococcus aureus türlerini koagülaz üretme yeteneklerine göre sınıflandırmak için bir yöntem geliştirdi. Bu yöntem günümüzde Staphylococcus aureus enfeksiyonlarını teşhis etmek için hala kullanılmaktadır.

1970’lerde Alman mikrobiyolog Klaus Kalk, koagülazı kodlayan geni izole etmek için genetik mühendisliğini kullandı. Bu keşif, koagülaz üretimine yönelik yeni testlerin geliştirilmesine ve Staphylococcus aureus enfeksiyonlarına karşı aşı üretimine yol açtı.

Modern Bakış Açıları ve Tedavi Yaklaşımları

Günümüzde koagülaz, Staphylococcus aureus tarafından üretilen ve bakterilerin patojenitesine ve istilacı doğasına katkıda bulunan bir virülans faktörü olarak kabul edilmektedir. Staphylococcus aureus enfeksiyonları cilt enfeksiyonları, zatürre, menenjit ve septisemi gibi çeşitli hastalıklara neden olabilir.

Staphylococcus aureus enfeksiyonlarının tedavisi tipik olarak bakterileri öldüren antibiyotikleri içerir. Bazı durumlarda enfekte dokuyu çıkarmak için ameliyat gerekli olabilir. Şiddetli enfeksiyonlarda, Staphylococcus aureus toksinlerinin etkilerini nötralize etmek amacıyla intravenöz immünoglobulin (IVIG) uygulanabilir.

Kaynak

  • Becker, K., Heilmann, C., & Peters, G. (2014). Coagulase-Negative Staphylococci. Clinical Microbiology Reviews, 27(4), 870-926.
  • Chambers, H. F. (1997). The changing epidemiology of Staphylococcus aureus? Emerging Infectious Diseases, 3(1), 9-17.
  • Peacock, S. J., & Paterson, G. K. (2015). Mechanisms of Methicillin Resistance in Staphylococcus aureus. Annual Review of Biochemistry, 84, 577-601.


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