Etiket: protein

Yayım tarihi

Amarant

Amaranth, yaklaşık 8.000 yıldır yetiştirilen 60’tan fazla farklı tahıl türünden oluşan bir gruptur. “Amaranth” ismi Yunanca “solmayan” anlamına gelen “amarantos” teriminden türemiştir ve amaranth’ın canlı, uzun ömürlü çiçekleri için uygun bir tanımdır.

Amaranth Amerika’ya özgüdür ancak günümüzde en büyük üreticileri Hindistan, Peru, Nepal ve Meksika olmak üzere dünya çapında yetiştirilmektedir. Oldukça besleyici, glütensiz bir tahıldır ve zengin bir lif, protein, demir, magnezyum, manganez ve fosfor gibi mikro besinler ve antioksidan kaynağıdır.

Amaranth hafif tatlı, cevizli bir tada sahiptir ve çeşitli yemeklerde kullanılabilir. Tohumları tahıl olarak kullanılabilir ve pirinç veya kinoaya benzer şekilde pişirilebilir ve yaprakları ıspanağa benzer şekilde yapraklı sebze olarak kullanılır. Ayrıca, genellikle patlamış mısır gibi patlatılır ve ekmek, kraker ve daha fazlası için bir topping olarak kullanılır.

Sağlık açısından bakıldığında, amarantın çok sayıda potansiyel faydası vardır. Tahıl mükemmel bir protein ve amino asit kaynağıdır, bu da onu vejetaryen ve vegan diyetlerine faydalı bir katkı haline getirir. Ayrıca lif oranı yüksektir ve sindirim sağlığını destekler. Amaranttaki antioksidanlar zararlı serbest radikallere karşı korunmaya ve vücuttaki iltihaplanmayı azaltmaya yardımcı olabilir. Ayrıca, çalışmalar amarantın kolesterolü düşürmeye ve kalp hastalığı ve diyabet gibi bazı kronik hastalıkların riskini azaltmaya yardımcı olabileceğini göstermektedir.

Tarih

Amarant binlerce yıldır yetiştirilen eski bir tahıldır. Amarant yetiştiriciliğinin en eski kanıtları Meksika ve Peru’daki arkeolojik alanlarda bulunmuştur ve 8.000 ila 7.000 yıl öncesine kadar uzanmaktadır.

Amarant Aztek, Maya ve İnka uygarlıkları için temel bir gıda maddesiydi. Ekmek, lapa, içecek ve törensel yiyecek yapımında kullanılırdı. Aztekler amarantın kutsal bir bitki olduğuna inanır ve onu tanrılarına adak sunmak için kullanırlardı.

İspanyolların Amerika’yı fethinden sonra amarant ekimi azaldı. İspanyol misyonerler, pagan bir sembol olarak gördükleri için amarant yetiştirilmesini engellediler. Bununla birlikte, amarant bazı bölgelerde yetiştirilmeye devam etti ve sonunda Avrupa’ya ve dünyanın diğer bölgelerine ulaştı.

Son yıllarda amaranta olan ilgi yeniden artmıştır. Bunun nedeni, yüksek besin değeri ve sürdürülebilir tarım için bir ürün olarak potansiyelidir. Amarant iyi bir protein, lif ve mineral kaynağıdır ve aynı zamanda glütensizdir. Çeşitli iklimlerde yetiştirilebilen kuraklığa dayanıklı bir üründür.

Günümüzde amarant, Amerika Birleşik Devletleri, Kanada, Meksika, Peru, Hindistan ve Çin de dahil olmak üzere dünyanın birçok yerinde yetiştirilmektedir. Tahıllar, ekmekler, krakerler, atıştırmalıklar ve içecekler de dahil olmak üzere çeşitli gıda ürünlerinde kullanılmaktadır.

İşte amarantın tarihindeki bazı önemli olaylar:

  • MÖ 8.000 ila 7.000: Meksika ve Peru’da amarant yetiştiriciliğine dair en eski kanıtlar.
  • MS 15. ila 16. yüzyıllar: Amarant Aztek, Maya ve İnka medeniyetleri için temel bir besindir.
  • MS 16. yüzyıl: İspanyolların Amerika’yı fethi amarant ekiminin azalmasına yol açar.
  • MS 19. ve 20. yüzyıllar: Amaranth ekimi bazı bölgelerde devam eder, ancak yaygın olarak yetiştirilmez.
  • MS 21. yüzyıl: Besin değeri ve sürdürülebilir bir ürün olma potansiyeli nedeniyle amaranta olan ilgi yeniden arttı.

Amarant, uzun ve zengin bir geçmişe sahip besleyici ve çok yönlü bir tahıldır. Önümüzdeki yıllarda daha da popüler hale gelmesi muhtemeldir.

Kaynak:

  1. Martirosyan, D. M., & Singh, J. (2015). A new definition of functional food by FFC: what makes a new definition unique?. Functional Foods in Health and Disease, 5(6), 209-223.
  2. Orona-Tamayo, D., Valverde, M. E., Nieto-Rendón, B., & Paredes-López, O. (2013). Potential of amaranth as a nutritionally balanced crop: an overview. In Technological Strategies for Sustainability in a Changing World (pp. 131-156). EOLSS Publications.

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

Open video directly
Yayım tarihi

Gestasyonel diyabet

  • Annenin gebeliğinde ilk kez ortaya çıkan glikoz toleransı bozukluğudur. (Bkz; Gestation–al) Hamilelik sırasında hipergliseminin nedene bağlı olmaksızın herhangi bir ilk belirtisi.
  • Artan bir eğilim ile hamile kadınların yaklaşık % 4’ünde görülür.
  • Teşhis, glikoz tolerans testi yardımıyla yapılır, komplikasyonları önlemek için kan şekeri yakından ayarlanmalıdır.
  • Gebelikte ilk kez ortaya çıkan diyabet, gebelik diyabeti olarak bilinir. Vücutta artan steroid hormon miktarı, insülin üretimini engeller, böylece hormona bağlı olarak kan şekeri seviyeleri keskin bir şekilde yükselebilir. Genellikle bu tip diyabet, gebelik sonlandırıldıktan sonra kaybolur. Bununla birlikte, daha sonra tip 2 veya tip 1 diyabet geliştirme riski büyük ölçüde artar.

     

Kaynak: https://d2cax41o7ahm5l.cloudfront.net/mi/upload-images/diabetes-conference-2019-69638.jpg

Neden

Hamilelik sırasında artan insülin gereksinimleri (fizyolojik insülin direnci), diyabetin erken belirtilerine yol açar.

Risk faktörleri

  • Önceki gebelikte GDM
  • Prediyabet öyküsü
  • Önceki gebelikte konjenital malformasyon •
  • >4500 gr bir çocuğun doğumu
  • Ölü doğum
  • Alışılmış kürtaj (üst üste > 3 düşük)

Semptomlar

  • Genellikle anne için asemptomatik
  • Hamilelik Komplikasyonları:
    • embriyonik: malformasyonlar
    • fetal: makrozomi doğum riskinde artış, doğum sonrası hipoglisemi, olgunlaşma bozuklukları

Teşhis

  • Teşhis genellikle doğum öncesi bakımın bir parçası olan bir tarama muayenesiyle yapılır.
  • Hamileliğin 24. ve 28. haftaları arasında kan şekeri testi yapılır (diyabet riski artmışsa daha erken).
    • Hamile kadın 50 gr glikozlu bir bardak su içer. Kan şekeri seviyesi bir saat sonra ölçülür. 135 mg / dl veya daha yüksek bir değer taramada pozitif bir değer olarak kabul edilir.
    • İdrarda şeker atılımının daha erken taranması daha az duyarlıdır ve bu nedenle eski olarak kabul edilir.
  • Tarama sonucu pozitifse, doğrulama olarak oral glukoz tolerans testi (oGTT) yapılır. Risk faktörleri mevcutsa, gebelik öğrenilir öğrenilmez oral glukoz tolerans testi yapılmalıdır.
  • Belirgin gestasyonel diyabet tanısı yapılır; venöz plazmada açlık kan şekeri 92 ila 125 mg / dl veya 120 dakikalık 153 ila 199 mg / dl veya % 6.5’in üzerinde bir HbA1c değeri.

Tarama

Oral glikoz tolerans testi

  • Standart bir oral glukoz tolerans testi (OGTT) 8 ila 14 saat arasında bir süre oruçla ertesi geceden sabaha önlem alınır.
  • Önceki üç gün boyunca denekte sınırsız bir diyet (günde en az 150 g karbonhidrat içeren) ve sınırsız fiziksel aktivite olmalıdır.
  • Denek test sırasında oturmalı ve test boyunca sigara içmemelidir.
  • Test, genellikle 75 g veya 100 g gibi belirli bir miktarda glikoz içeren bir çözeltinin içilmesini ve başlangıçta ve daha sonra ayarlanan zaman aralıklarında glikoz seviyelerini ölçmek için kan alınmasını içerir.
  • Ulusal Diyabet Veri Grubu’ndaki (NDDG) tanı kriterleri en sık kullanılmıştır, ancak bazı merkezler daha düşük değerlerde normal olarak belirleyen Carpenter ve Coustan kriterlerine güvenmektedir. NDDG kriterleriyle karşılaştırıldığında, Carpenter ve Coustan kriterleri, yüzde 54 daha fazla gebe kadında gestasyonel diyabet tanısına yol açmaktadır, bu da maliyeti yükseltir ve perinatal sonuçların iyileşmesine dair inandırıcı bir kanıt yoktur.
  • Amerikan Diyabet Derneği’nin 100 g glikoz OGTT sırasında anormal olduğunu düşündüğü değerler şunlardır:

Açlık kan şekeri seviyesi ≥92 mg / dl (5.33 mmol / L)
1 saat kan şekeri seviyesi ≥180 mg / dl (10 mmol / L)
2 saatlik kan şekeri seviyesi ≥153 mg / dl (8,6 mmol / L)
3 saatlik kan şekeri seviyesi ≥140 mg / dl (7.8 mmol / L)
Alternatif bir test 75 g glikoz yükü kullanır ve aynı referans değerlerini kullanarak 1 ve 2 saat önce ve sonra kan glikoz seviyelerini ölçer. Bu test risk altında olan daha az kadını tespit edecektir ve bu test ile 3 saatlik 100 g testi arasında sadece zayıf bir uyum (anlaşma oranı) vardır.

Gestasyonel diyabeti saptamak için kullanılan glikoz değerleri ilk olarak gelecekte tip 2 diyabet gelişme riskini saptamak üzere tasarlanmış retrospektif bir kohort çalışmasında (100 gram glikoz OGTT kullanılarak) O’Sullivan ve Mahan (1964) tarafından belirlenmiştir. Değerler tam kan kullanılarak ayarlandı ve değere ulaşması veya bu değeri aşması için iki değerin pozitif olması gerekiyordu. Müteakip bilgiler O’Sullivan kriterlerinde değişikliklere yol açtı. Kan şekeri belirleme yöntemleri tam kan kullanımından venöz plazma örneklerine değiştiğinde GDM kriterleri de değiştirildi.

Kaynak: https://www.researchgate.net/profile/Jacob_Jato/publication/328703240/figure/fig1/AS:688622286172160@1541191755061/Oral-Glucose-Tolerance-Test-OGTT-Curve-of-Diabetic-and-non-Diabetic-Albino-Rats-to.ppm

Tedavi

  • Genel önlemler, hastalık, diyet değişiklikleri, egzersiz ve kan şekeri seviyelerinin kendi kendine izlenmesi hakkında eğitim ve öğretimi içerir.
  • İlaç tedavisi insülin ile yapılır.
  • Oral antidiyabetik ilaçlar hamile kadınlarda ve emziren kadınlarda kontrendikedir.
  • İnsülin tedavisi endikasyonu, konservatif önlemler tüketilerek iki hafta içinde hızlı bir şekilde yapılmalıdır. Haftada en az iki gün doğum öncesi veya sonrası en az iki değer artırılırsa mevcuttur.
  • Diyet
    • Gün boyunca birkaç küçük öğün
    • Aşırı kilo durumunda: yaklaşık 20 kcal/kg vücut ağırlığı

Tarama ve Teşhis: Amerikan Diyabet Derneği (ADA), diyabetli olduğu bilinmeyen tüm hamile kadınların 24 ila 28. gebelik haftalarında 75 gramlık oral glikoz tolerans testi kullanılarak GDM açısından taranmasını önermektedir1.

Yaşam Tarzı Değişikliği: GDM için ilk tedavi yöntemi diyetin değiştirilmesi ve fiziksel aktivitenin artırılmasıdır. Dengeli bir diyet ve düzenli fiziksel aktivitenin sürdürülmesi genellikle kan şekeri seviyelerinin düzenlenmesine yardımcı olur 2.

Glikoz İzleme: Kan şekerinin hedef seviyelerde olduğundan emin olmak için genellikle kan şekerinin düzenli olarak kendi kendine izlenmesi önerilir3.

Farmakoterapi: Yaşam tarzı değişiklikleri glikoz kontrolünü sağlamada yetersiz kalırsa ilaç tedavisi gerekir. İnsülin genellikle farmakoterapinin ilk basamağıdır, ancak metformin ve gliburid gibi oral ilaçlar da yaygın olarak kullanılmaktadır 4.

Doğum Sonrası Bakım: GDM’li kadınlar, tip 2 diyabet gelişimi açısından yüksek risk altında olduklarından, doğum sonrası 4 ila 12. haftalarda kalıcı diyabet açısından taranmalıdır 5.

Diyet

Gestasyonel diabetes mellitus (GDM) yönetiminde çok önemli bir rol oynar. İşte mevcut literatüre dayanan bazı genel tavsiyeler:

Kalori Alımı: Kalori ihtiyacı, gebelik sırasında uygun kilo alımını destekleyecek şekilde ayarlanmalıdır. Aşırı kilolu gebeler için yaklaşık 30-35 kcal/kg/gün, obez gebeler için ise 24 kcal/kg/gün kalori alınması önerilmektedir6.

Karbonhidrat Sayımı: Tıp Enstitüsü (IOM), karbonhidratların toplam kalori alımının yaklaşık %40 ila %45’ini oluşturmasını önermektedir. Basit şekerler yerine kompleks karbonhidratlar tercih edilmelidir7.

Protein ve Yağlar: Protein toplam enerjinin %20’sini, yağlar ise kalan %35 ila %40’ını oluşturmalıdır. Doymuş yağ alımı toplam enerji alımının %10’undan azıyla sınırlandırılmalıdır8.

Öğün Zamanlaması ve Dağılımı: Küçük, sık öğünler tüketilmesi ve öğün atlanmaması önerilir. Gece hipoglisemisinden kaçınmak için yatmadan önce bir ara öğün faydalı olabilir9.

Fiziksel Aktivite: Diyet değişikliklerinin yanı sıra, egzersiz için herhangi bir kontrendikasyon olmaması koşuluyla, düzenli fiziksel aktivite GDM’de glisemik kontrolü iyileştirmeye yardımcı olabilir10.

Gestasyonel diyabet (GDM) için ayrıntılı bir diyet planı oluşturmak büyük ölçüde bireyin beslenme ihtiyaçlarına, yaşam tarzına ve kişisel tercihlerine bağlıdır.

Kahvaltı:

  • Tam tahıllı tost (2 dilim)
  • Çırpılmış yumurta (2 yumurtadan yapılır)
  • Bir avuç ıspanak ve dolmalık biber
  • Bir fincan az yağlı süt

Sabah atıştırması:

  • Küçük bir elma
  • Bir avuç fındık (badem, ceviz)

Öğle yemeği:

  • Izgara tavuk göğsü veya vejetaryenler için tofu
  • Bir fincan kinoa veya esmer pirinç
  • Zeytinyağlı soslu karışık salata

Öğleden sonra atıştırmalığı:

  • Bir fincan süzme yoğurt (sade, az yağlı)
  • Bir avuç çilek (yaban mersini, ahududu)

Akşam yemeği:

  • Fırında balık veya vejetaryenler için mercimek köri
  • Buharda pişmiş brokoli ve havuç
  • Bir fincan yabani pirinç

Akşam Atıştırması:

  • Küçük bir kase patlamış mısır (şekersiz)
  • Bir bardak süt

Unutmayın, kilit noktalar öğünleri ve atıştırmalıkları gün boyunca eşit bir şekilde yaymak, porsiyon kontrolünü sağlamak ve diyete çeşitli gıdalar dahil etmektir.

Vücudunuzun farklı tür ve miktarlardaki gıdalara nasıl tepki verdiğini gözlemlemek için kan şekeri seviyelerinin düzenli olarak izlenmesi de çok önemlidir.

Profilaksi

  • Gestasyonel diyabetli gebelerde, çocuktaki makrozomiyi erken dönemde tespit etmek için aylık ultrason muayenesi önerilir.
  • Ayrıca, akciğer olgunlaşması için kortizon ve tokoliz için betamimetik uygulama endikasyonu daraltılmalıdır. Doğumdan sonra yenidoğan özellikle dispne ve hipoglisemi açısından izlenmelidir.
  • Çocuk sahibi olmak isteyen kadınlar, hamilelikten önce bile normal kilo ve normal kan değerlerinin yanı sıra normal tansiyonu sağlamalıdır. Bu, dengeli bir diyet, yeterli sıvı alımı ve egzersizden olumlu yönde etkilenebilir.

Prognoz

Çoğu durumda, metabolik durum hamilelikten sonra normale döner. Kadının daha sonra diabetes mellitus geliştirme riski arttığından, düzenli kan şekeri takibi önerilir.

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

Open video directly

Kaynak

  1. American Diabetes Association. (2018). 2. Classification and Diagnosis of Diabetes: Standards of Medical Care in Diabetes—2018. Diabetes Care, 41(Supplement 1), S13-S27.
  2. American Diabetes Association. (2018). Management of Diabetes in Pregnancy: Standards of Medical Care in Diabetes—2018. Diabetes Care, 41(Supplement 1), S137-S143.
  3. Nielsen, K. K., Kapur, A., Damm, P., de Courten, M., & Bygbjerg, I. C. (2014). From screening to postpartum follow-up – the determinants and barriers for gestational diabetes mellitus (GDM) services, a systematic review. BMC pregnancy and childbirth, 14(1), 41.
  4. Brown, J., Martis, R., Hughes, B., Rowan, J., & Crowther, C. A. (2017). Oral anti-diabetic agents for women with established diabetes/impaired glucose tolerance or previous gestational diabetes planning pregnancy, or pregnant women with pre-existing diabetes. Cochrane Database of Systematic Reviews, (10).
  5. Metzger, B. E., Buchanan, T. A., Coustan, D. R., de Leiva, A., Dunger, D. B., Hadden, D. R., … & Zoupas, C. (2007). Summary and recommendations of the Fifth International Workshop-Conference on Gestational Diabetes Mellitus. Diabetes care, 30(Supplement 2), S251-S260.
  6. Blumer, I., Hadar, E., Hadden, D. R., Jovanovič, L., Mestman, J. H., Murad, M. H., & Yogev, Y. (2013). Diabetes and pregnancy: an endocrine society clinical practice guideline. The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism, 98(11), 4227-4249.
  7. Metzger, B. E., Buchanan, T. A., Coustan, D. R., de Leiva, A., Dunger, D. B., Hadden, D. R., … & Zoupas, C. (2007). Summary and recommendations of the Fifth International Workshop-Conference on Gestational Diabetes Mellitus. Diabetes care, 30(Supplement 2), S251-S260.
  8. Moreno-Castilla, C., Mauricio, D., & Hernandez, M. (2016). Role of Medical Nutrition Therapy in the Management of Gestational Diabetes Mellitus. Current diabetes reports, 16(4), 22.
  9. Hernandez, T. L., Van Pelt, R. E., Anderson, M. A., Daniels, L. J., West, N. A., Donahoo, W. T., … & Barbour, L. A. (2016). Women With Gestational Diabetes Mellitus Randomized to a Higher–Complex Carbohydrate/Low-Fat Diet Manifest Lower Adipose Tissue Insulin Resistance, Inflammation, Glucose, and Free Fatty Acids: A Pilot Study. Diabetes care, 39(1), 39-42.
  10. Ehrlich, S. F., Hedderson, M. M., Feng, J., Davenport, E. R., Gunderson, E. P., & Ferrara, A. (2011). Change in body mass index between pregnancies and the risk of gestational diabetes in a second pregnancy. Obstetrics & Gynecology, 117(6), 1323-1330.
Yayım tarihi

Dünyadaki Yaşamın Son Evrensel Atası; Yarı Canlıydı

Dünyadaki Yaşamın Son Evrensel Atası; Yarı Canlıydı

Hücrelerimizdeki genlerin birçoğu milyarlarca yıl önce evrimleşti ve bunlardan birkaçına dair izler dünyadaki bütün yaşamın son ortak atasına kadar takip edilebiliyor.

355 adet gen tanımlaması yapan ve Nature‘da yayımlanan yeni bir araştırma sayesinde artık bu atamızın neye benzediğine ve nerede yaşadığına dair bugüne kadarki en net resmi elde ettik.

Elde edilen bulgular; yaşamın son evrensel ortak atasının (SEOA); hidrojen, karbondioksit ve mineralce zengin sıcak suyun deniz tabanından çıktığı hidrotermel yarıklarda gizli olduğu fikrine destek sunuyor.

Araştırmacılardan William Martin –University of Dusseldorf–; bu durumun hidrotermal yarık teorisine parmak bastığını söylüyor ve ihtiyacı olan kimyasalların çoğunu üretebilmesi için yarıklardaki abiyotik (biyolojik olmayan) tepkimelere bağımlı olma ihtimalinden kaynaklı SEOA’yı; yarı canlı olarak tanımlıyor.

SEOA yaklaşık 3.8 milyar yıl önce ortaya çıktı ve iki tür basit hücrenin oluşmasına sebep oldu:Bakteriler ve Arkeler. Geçmişte yapılan çalışmalar; bugün hayatta olan neredeyse bütün hücrelerde ortak olan genlere odaklanarak, SEOA’da neredeyse aynısı bulunan yaklaşık 100 gen belirlemişlerdi.

Bu da bize SEOA’nın modern hücrelerle benzer olduğunu gösteriyor. Fakat araştırmacılar asıl olarak SEOA’nın nasıl farklı olduğunu öğrenmek istiyorlar. Dolayısıyla, ekip en eski ve ortak olmayan geni bulmak için 1800 bakteri genomunu ve 130 arke genomunu analiz etti. Ve, örneğin birkaçının genetik kodu okumaktan sorumlu olan 355 genin evrensel genler olduğu bulgusuna ulaştı. Fakat diğerleri ise tamamen farklı bir yaşam biçimine işaret ediyor.

evrensel-son-ortak-ata-bilimfilicom

Neredeyse bütün canlı hücrelerin bir karakteristiği; hücrelerin elektrokimyasal gradyan oluşturmak için iyonları bir zardan geçirmesi ve sonrasında enerji bakımından zengin ATP molekülünü üretmek için bu düşümü kullanıyor olması. Martin’e göre; SEOA bu tarz bir gradyan oluşturamadı fakat var olan bir şeyi ATP yapımı için kullandı.

Bu durum; ilk yaşamın ihtiyacı olan enerjiyi yarık suyu ve deniz suyu arasındaki doğal gradyandan elde ettiği dolayısıyla da bu yarıklara bağlı olduğu fikriyle oldukça uyum gösteriyor. Ancak sonradan gradyan oluşturma yetisini elde etti ve bu durum da yarıklardan çıkan en az iki yaşama fırsat sundu: İlk olarak arkeler, diğeri ise bakteriler.

“Döner Kapı”

Görünüşe göre SEOA aynı zamanda da bu gradyandan hidrojen ve sodyum iyonlarını takas etmeye yarayan bir “döner kapı”proteini genine sahipti. Geçmiş çalışmalar; böyle bir proteinin yarıklardaki doğal gradyanın patlamasında tamamen etkili olduğunu ortaya koyuyor.

Martin’in bulamadığı bir şey ise; proteinlerin yapı taşı olan aminoasitlerin yapımından sorumlu genler. Buna dair de SEOA’nın yarıklarda kendiliğinden oluşmuş aminoasitlere bağlı olabileceğini ileri sürüyor.

University of Connecticut’dan yaşamın evrimi üzerine çalışmalar yürüten Peter Gogarten; Martin’in bu yaklaşımının ses getirdiğini, tanımlı genlerin büyük çoğunluğunun SEOA’da var olan genlere dair sağlam adaylar olduğunu söylüyor.

Ancak; hangi genlerin tamamen antik ve hangilerinin ise antik olabileceği ayrımını yapmak şuan oldukça güç, çünkü bakteri ve arkeler bunları değiş-tokuş ettiler. Araştırma ekibi bu değiş-tokuş edilen genleri ihmal ediyor ve belki de bu süreçte SEOA’nın amino asit sentezinden sorumlu genlerini de göz ardı ediyor olabilir.

İlk yaşamın nasıl ortaya çıktığına dair hala çok fazla iddia var, ancak hidrotermal yarık teorisi yeni delillerle destek bulan oldukça iddialı bir teori gibi gözüküyor, çünkü teori yaşamın kilit önemdeki birçok özelliğine dair detaylı bir senaryo açıklaması sağlıyor.

Kaynak ve İleri Okuma:

  •  Madeline C. Weiss, Filipa L. Sousa, Natalia Mrnjavac, Sinje Neukirchen, Mayo Roettger, Shijulal Nelson-Sathi & William F. Martin. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. Nature Microbiology, DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.116
  • Le Page, M. “Universal ancestor of all life on Earth was only half alive.” NewScientist. https://www.newscientist.com/article/2098564-universal-ancestor-of-all-life-on-earth-was-only-half-alive (Accessed on 2016, July 26)
  • Bilimfili

 

Yayım tarihi

Yaşlanmayı Kaçınılmaz Kılan Biyoloji Değil Fizik

Yaşlanmayı Kaçınılmaz Kılan Biyoloji Değil Fizik

Bedenimizdeki hücrelerin her biri yollar, ulaşım araçları, kütüphaneler, fabrikalar, enerji santralleri ve atık dönüşüm birimleri ile dolu olan kalabalık şehirlere benzer. Bu şehrin çalışanları, besini metabolize eden, çöpü atan ve DNA’yı onaran protein makineleridir. Proteinlerin kurduğu cambaz ipleri üzerinde yürüyen moleküler makineler tarafından kargolar getirilip götürülür. Tüm bu makineler kendi görevlerini yerine getirmeye çalışırken, kendilerine saniyede trilyonlarca kez rastgele çarpan binlerce su molekülü ile çevrilidirler. Fizikçilerin örtük bir dille “ısısal hareket” adını verdikleri şey işte budur. Onun yerine “şiddetli ısısal kaos” dense de olurmuş.

İyi niyetli bir moleküler makinenin böylesine katlanılmaz koşullar altında nasıl iyi iş çıkarabildiğini anlamak kolay değil. Yanıt kısmen şöyle: Hücrelerimizdeki protein makineleri, minik çark mandalları gibi su bombardımanından elde ettikleri rastgele enerjiyi, hücrenin işlemesini sağlayan net bir şekilde yönlendirilmiş harekete dönüştürür. Yani kaostan düzenyaratırlar.

Peter M. Hoffmann’ın Yaşamın Kökeni adlı kitabında moleküler makinelerin hücrelerimizde düzeni nasıl sağladıkları anlatılır. “İlgilendiğim temel konu, yaşamın kaosun içine sürüklenmekten nasıl kaçınabildiğiydi. Kitabım yayımlandıktan kısa süre sonra biyolojik yaşlanma üzerinde çalışan araştırmacılar benimle temas kurdu. İlk önce aradaki bağlantıyı göremedim. Yaşlanmaya ilişkin bildiğim tek şey, kendi bedenimde gözlemlemek durumunda kaldığım süreçti,” diyor Hoffmann.

Kitabında, yaşayan moleküler makinelerde ısısal kaosun rolünü vurgulamış olmasının, yaşlanma araştırmacılarının bunu biryaşlanma nedeni olarak düşünmelerine neden olduğunu fark eden Hoffmann, ısısal hareketin kısa vadede yararlı fakat uzun vadede zararlı olduğunu anlamış. Sonuçta dışarıdan enerji girdisi olmadan, rastgele ısısal hareket düzeni bozma eğiliminde olur. Bu eğilim termodinamiğin, her şeyin yaşlandığını ve çürüdüğünü söyleyen ikinci yasasında belirtilmiştir. Binalar ve yollar aşınır; gemiler ve raylar paslanır; dağlar ufalanıp denize karışır. Cansız yapılar ısısal hareketin yarattığı tahribat karşısında çaresizdir. Yaşam ise farklıdır: Protein makineleri sürekli olarak hücreleri onarıp yeniler.

Bir anlamda yaşam, biyoloji ile fiziği bu ölüm-kalım savaşında karşı karşıya getirir. Peki canlılar neden ölür? Yaşlanma, biyolojinin fizik karşısındaki nihai yenilgisi midir; yoksa biyolojinin kendisinde var olan bir süreç midir?

Cansız nesnelerin fiziksel yapısındaki bozulmalar sürekli artarken, canlılardaki moleküler makineler sürekli onarım yapar.

Biyolojik Çürüme mi, Fiziksel Yıpranma mı?

Yaşlanma üzerine yapılan çağdaş incelemelere temel oluşturacak bir çalışma varsa, o da P.Medawar’ın 1952 tarihinde basılanBiyolojinin Çözülemeyen Problemlerinden Biri adlı kitabıdır. Nobel ödüllü biyolog Medawar, bu kitapta yaşlanmaya ilişkin birbirine karşıt iki açıklamadan söz eder: Biyolojik gereklilik (içsel yaşlanma) veya yinelenen gerilimin biriken etkisi (yıpranma). İlki sorumluluğu biyolojiye, ikincisi ise fiziğe yöneltir.

İçsel yaşlanma düşüncesine göre yaşlılık ve ölüm, genç kuşaklara yer açmak için evrim tarafından zorunlu kılınmıştır. İçimizde bir saat vardır ve ömrümüzün geri sayımını yapar. Böyle saatler gerçekten de vardır. En ünlüleri ise telomerlerdir. Bu ufak DNA parçaları, her bir hücre bölünmesinde kısalır. Telomer incelemelerinde karşıt görüşler vardır ve telomer kısalmasının yaşlanmanın nedeni mi, yoksa sonucu mu olduğu netlik kazanmamıştır. Telomerler sabit miktarlarda kısalmazlar ama her hücre bölünmesinde kaybolan bir minimum miktar vardır. Eğer hücre başka yollarla hasar gördüyse, telomerler daha hızlı kısalırlar. Araştırmacıların çoğu telomer kısalmasının yaşlanma nedeni değil, belirtisi olduğunu düşünmektedir.

Medawar’ın kendisi “yıpranma” kuramını savunur; yani yaşlanmaya fizik açısından bakar. Bunun için iki neden öne sürer. Birincisi, doğal seçilimin yaşlanmayı seçtiğini görmenin zor olduğunu, çünkü canlıların ileri yaşlarda üreyemediğini ve doğal seçilimin de üreme oranlarındaki farklarla biçimlendiğini söyler. İkincisi, nüfus artışını kontrol etmek için yaşı ilerleyen bireylerin yaşamlarına etkin biçimde son vermenin gereksiz olduğunu, çünkü rastgeleliğin zaten bu işin icabına bakacağını belirtir.

Medawar, yaşlanmaya neden olacak biyolojik bir içsel saat olmasının gereksizliğini açıklamak için cansız bir nesne örneği verir: Laboratuvardaki deney tüpleri. Bu tüplerin zaman zaman kaza eseri kırıldığını varsayalım. Tüplerin toplam sayısını sabit tutmak için her hafta yeni bir parti geliyor olsun. Bir kaç ay geçtikten sonra ortada kaç tane yeni ve kaç tane eski deney tüpü olur? Yanlışlıkla kırılma olasılığının yaştan bağımsız olduğunu varsayarsak (gayet mantıklı bir varsayım bu) ve deney tüplerinin sayısına karşılık her tüpün yaşını gösteren bir grafik çizersek, kaydırağa benzeyen iç bükey bir üstel bozunma eğrisi elde ederiz. Bu “yaşam eğrisi”nin tepesinde sert bir düşüş vardır ve tabanı düzdür.

Rastgele kırılan deney tüpleri için bilgisayar modellemesinden elde edilen yaşam grafiği ve üstel uyum eğrisi (kırmızı çizgi). Dikey eksen, her yaş grubundaki deney tüplerinin sayısını gösteriyor. Yatay eksen, deney tüplerinin yaşını hafta ölçeğinde gösteriyor.

Her ne kadar deney tüpleri yaşlanmıyor olsa da (yaşlı tüpler genç tüplerden daha kolay kırılıyor olmasa da), sabit kırılma olasılığı yaşlı deney tüplerinin sayısını önemli ölçüde azaltır. Şimdi insanların da tıpkı deney tüpleri gibi herhangi bir yaşta ölme olasılıklarının eşit olduğunu varsayalım. Yaşlı insanların sayısı yine de az olurdu. Olasılık eninde-sonunda onları yakalardı.

Sorun şu ki, insan toplulukları için çizilen yaşam eğrileri, Medawar’ın deney tüpleri için çizdiğine benzemiyor. Tepede düz başlıyor; yani genç yaşta ölüm sayısı az oluyor (doğum sırasındakiler hariç). Ardından belli bir yaşta eğri aniden düşüşe geçiyor.Böyle bir eğri elde etmek için Medawar’ın deney tüpü modeline bir başka varsayımın daha eklenmesi gerekir: Deney tüpleri zaman içinde küçük çatlaklar biriktirmektedir. Bu da onların kırılma riskini arttırır. Bir başka deyişle, yaşlanmaları gerekir. Eğer kırılma riski üstel olarak artıyorsa, Gompertz-Makeham Yasası ile karşı karşıyayız demektir. Bu yasa insanlar için çizilen yaşam eğrilerine oldukça iyi uyar. Deney tüpleri için konuşacak olursak, bu yasa hem sabit hem de üstel olarak artan kırılma riskini kapsar. Üstel artış insanlarda gözlemlenmiştir. 30 yaşından sonra ölüm riski, her 7 senede ikiye katlanır.

Üstel Artışın Nedeni Ne?

Hücrelerimizde oluşan hasarın tek nedeni ısısal hareket değildir. Düzenli olarak sürdürülen bazı süreçler, özellikle de mitokondrilerimizin metabolizması kusursuz değildir ve bir takım radikaller üretir. Radikaller, yüksek ölçüde reaktif atomlar olup, DNA’ya zarar verirler. Isısal gürültü ve serbest radikal oluşumu, hücre hasarının ardında yatan temel nedenlerdir. Bir hasar gerçekleştiğinde hücre onarılabiliyorsa onarılır; hasar onarılamayacak boyutta ise hücrede apoptozis olarak adlandırılan intihar davranışı tetiklenir. Genellikle yerine bir kök hücre konur.

Fakat sonuçta hasar birikimi olur. DNA ancak hiç bozulmamış bir örneği varsa onarılabilir. Hasarlanmış proteinlerin katlanışları bozulur ve birbirlerine yapışmaya başlayarak birikinti oluştururlar. Hücre, savunma mekanizması ile intihar mekanizmasının ortasında kalır. Yaşlı hücreler organlarda birikmeye başlayarak iltihaba yol açar. Kök hücreler etkinleşmez ya da tükenmiştir. Mitokondriler hasarlandığı için DNA onarımı yapacak moleküler makinelere güç sağlayacak olan enerji desteği azalır. Bu kötücül bir çevrimdir; teknik jargonda pozitif geri bildirim ilmeğidir. Matematiksel olarak pozitif geri bildirim ilmekleri riskte üstel bir artış doğurur. Bu da insan yaşam eğrilerinin şeklini açıklar.

Bilimsel literatür yaşlanmaya ilişkin çok sayıda açıklama ile doludur: Protein birikimi, DNA hasarı, iltihap, telomerler. Fakat bunlar temelde yatan bir nedenin sonuçlarıdır: Isısal ve kimyasal aşınmaya bağlı hasar birikimi. Isısal hasar etkilerinin gerçekten de yaşlanmaya neden olduğunu kanıtlamak için farklı içsel ısılarla yaşayan insanları gözlemlememiz gerekir. Bu mümkün değildir ama anlık zarar vermeden içsel ısıları değiştirilebilecek başka canlılar vardır. Geçtiğimiz günlerde Nature dergisinde yayımlanan bir makalede, Harvard Tıp Fakültesi’nden bir grup araştırmacı C. elegans türü yuvarlak solucanlarda yaşlanmanın ısıya bağlılığını belirlediklerini açıkladı. Basit ve üzerinde fazlasıyla çalışıldığı için iyi tanınan bir canlı olan bu solucan türünde, hayatta kalma eğrisinin şeklinin temelde aynı kaldığı fakat ısı değiştikçe esnediği veya büzüldüğü saptandı. Düşük sıcaklıklarda büyütülen canlıların hayatta kalma eğrileri esnerken, yüksek sıcaklıklara maruz kalanların ömrü daha kısa oluyordu. Ayrıca esneme faktörünün ısıya bağlılığı, bilimcilere oldukça tanıdık olan bir desen izliyordu: Kimyasal bağ kırılmalarının, rastgele ısısal hareketin ısısına olan bağlılığının deseniydi bu.

Peter Hoffmann konuya ilişkin deneyimlerini şöyle aktarıyor: “Bağ kırılması ile yaşlanma arasındaki olası bağlantıyı, ben de kendi laboratuvarımda gözlemlemiştim. Gompertz-Makeham Yasası’na ilk rastladığımda, tuhaf bir biçimde tanıdık gelmişti. Laboratuvarımda iki atom arasındaki çok ufak kuvvetleri ölçebilen bir atomik kuvvet mikroskobu kullanarak, tek tek moleküler bağların bozulmama olasılıklarını inceliyorduk. Tipik bir deneyde, bir proteini düz bir yüzeye iliştiriyor ve başka bir proteini de küçük bir manivelalı yayın ucuna tutturuyorduk. Proteinlerin birbirlerine bağlanmasına izin verip, ardından yayı yavaş yavaş çekiyorduk. Böylece iki moleküle giderek artan bir kuvvet uygulamış oluyorduk. Nihayetinde, iki molekül arası bağ kopuyordu ve biz de bu kırılmayı sağlamaya yetecek kuvveti ölçüyorduk. Bu, ısısal hareket tarafından tetiklenen bir rastgele süreçti. Deneyi her yineleyişimizde, kırma kuvveti farklı çıktı. Ama “bağların bozulmama olasılığı – uygulanan kuvvet” grafiği, tıpkı insanlar için çizilen “yaş – hayatta kalma” grafiğine benziyordu. Bu benzerlik C. elegans sonuçları ile uyumluydu; ki bu da protein bağlarının kırılması ile yaşlanma arasında ve yaşlanma ile ısısal hareket arasında bir bağlantı olabileceğini akla getiriyordu.”

Sol: Gompertz-Makeham uyum çizgisi ile görülen insan yaşamı grafiği. Sağ: Artan kuvvete maruz bırakılan tekil protein bağları için bozulmadan kalma grafiği. İki eğrinin matematiksel biçimi özdeştir.

Yaşlanmak Bir Hastalık mı?

Yaşlanma üzerinde çalışan araştırmacılar arasında, yaşlanmanın bir hastalık olarak sınıflandırılıp sınıflandırılamayacağına ilişkin hararetli bir tartışma var. Belirli hastalıklar, hücresel sistemler ya da moleküler bileşikler üzerinde çalışan araştırmacıların çoğu, kendi çalışma alanlarının “yaşlanmanın nedeni” sıfatını aldığını görmek istiyor. Fakat olasılıkların sayısının büyüklüğü, tam olarak bu olasılığın tersini ortaya koyuyor. Hepsi birden yaşlanmanın nedeni olamaz.

Hücresel yaşlanmayı ilk keşfeden kişi olan Leonard Hayflick, “Biyolojik Yaşlanma Artık Çözülmemiş Bir Problem Değil” şeklinde etkileyici bir başlık taşıyan makalesinde şöyle demişti: “Yaşlanmaya ilişkin tüm çağdaş kuramların temelindeki ortak payda, moleküler yapıdaki yani işlevdeki değişimdir.” Hayflick’e göre nihai sebep “moleküler sağlamlıkta artan kayıp veya moleküler düzensizliğin artışı” idi. Bu sağlamlık kaybı ve düzensizlik artışı, doğası gereği kendini rastgele ve dolayısıyla farklı kişilerde farklı şekillerde gösteriyordu. Fakat nihai sebep hep aynıydı. Eğer verilerin bu yorumu doğruysa, o zaman yaşlanma nano ölçekteki termal fiziğe indirgenebilecek bir doğal süreç demektir; bir hastalık değildir.

1950’li yıllara kadar insan ömrünün uzatılması konusunda atılan adımlar neredeyse bütünüyle enfeksiyon hastalıklarının (yaştan bağımsız bir sabit faktör) safdışı bırakılmasına yönelikti. Sonuç olarak ortalama insan ömrü ciddi bir artış gösterdi; bununla birlikte maksimum yaşam süresi aynı kaldı. Üstel olarak artan bir risk, eninde-sonunda sabit riskteki azalışları geride bırakacaktır. Sabit riski düşürmeye çalışmak yararlıdır; ama bir yere kadar: Sabit risk çevreselken (kazalar ya da enfeksiyon hastalıkları gibi), üstel artan risklerin büyük bölümü içsel düzenek kaynaklıdır. Kanser ya da Alzheimer gibi hastalıkların tedavi edilmesi yaşam sürelerimizi önemli ölçüde arttırsa bile bizi ölümsüz yapmayacak, hatta maksimum yaşam süremizde fazla bir artış yaratmayacaktır.

Tabi bu yapacak hiçbir şey olmadığı anlamına gelmiyor. Yaşlanmada gelişen belirli moleküler değişimlerin daha yakından incelenmesi gerekiyor. Böylece dağılmaya ilk olarak başlayan kilit moleküler bileşiklerin ne olduğunu anlayabilir ve bu dağılışın çığ etkisi yaratıp yaratmadığını görebiliriz. Eğer böyle kilit bileşikler varsa, yenileme ve onarım için açık hedefler belirlenmiş olur. Nanoteknoloji, kök hücre teknolojileri ya da gen düzenleme sayesinde gerekli onarımlar gerçekleştirilebilir. Bu kesinlikle denemeye değer. Elbette şunu akılda tuıtmak kaydıyla: Biyolojik bozulmalar bazen onarılabilir ama fiziksel yasalar asla yenilemez.

 

Kaynak:

  • Bilimfili,
  • Nautilus, “Physics Makes Aging Inevitable, Not Biology”
    < http://nautil.us/issue/36/aging/physics-makes-aging-inevitable-not-biology >
Yayım tarihi

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.

Yayım tarihi

DNA’mızda Gizli Bir Bilgi Katmanı Bulundu

Kuramsal fizikçiler, kim olduğumuzu belirleyenin sadece DNA’mıza kodlanmış enformasyondan ibaret olmadığını doğruladı. DNA’nın kendi üzerine katlanma biçiminin de hangi genlerin bedenlerimizde ifadesinin (ekspresyonunun) olacağı üzerinde etki yaptığı ortaya kondu.

Bu biyologların yıllardan beri bildiği bir şeydi1. Hatta DNA’nın katlanmasından sorumlu olan proteinlerin bir kısmını belirlemeyi de başarmışlardı2. Şimdi ise bir grup fizikçi, simülasyonlar kullanarak bu gizli bilginin evrimimizi nasıl kontrol ettiğini ilk kez olarak gösterdi.

Bu gelişme pek çok bilimcinin kulağına yeni bir haber olarak gelmeyebilir ama konuya aşina olmayanlar için ikinci düzey DNA enformasyonu hakkında kısa bir özet geçelim. Muhtemelen lise yıllarında, Watson ile Crick’in 1953’te kimliğimizi belirleyen DNA kodunun G, A, S ve T harflerinin bir dizisinden oluştuğunu keşfettiklerini öğrenmişsinizdir. Guanin, adenin, sitozin ve timini simgeleyen bu harflerin sıralaması, hücrelerimizde hangiproteinlerin üretileceğini belirler. Yani eğer gözleriniz kahverengiyse, bunun nedeni DNA’nızda irisinizin içinde koyu renk pigment üretecek bir proteini kodlayan belli bir harf dizisi olmasıdır.

Ama öykü bu kadarla kalmıyor. Çünkü bedeninizdeki tüm hücreler tıpatıp aynı DNA kodu ile işe başlıyor olmasına rağmen, her organ başka bir işleve sahip oluyor. Örneğin mide hücrelerinizin kahverengi göz proteini üretmesi gerekmez, ama sindirim enzimleri yapmaları lazımdır. Peki bu nasıl oluyor?

80’li yıllardan beri bilimciler bu süreci kontrol edenin, DNA’nın hücrelerimiz içindeki katlanış biçimi olduğunu biliyor3. Çevresel etkenlerin de bu süreçte payı olabiliyor. Mesela stresin epigenetik yoluyla bazı genleri açık veya kapalı konuma getirebildiği biliniyor. Fakat asıl kontrol mekanizması DNA katlanmasının mekaniğinden kaynaklanıyor. Bedenimizdeki herbir hücre yaklaşık 2 metre uzunluğunda DNA taşıdığında, sığabilmek için DNA’nın nükleozom adı verilen bir öbek biçiminde sıkıca paketlenmesi gerekiyor.

İşte DNA’nın bu paketlenişi, hücre tarafından hangi genlerin okunacağını yönetiyor. Paketin içinde kalan genler proteinler tarafından ifade edilmiyor; sadece dışta kalanların ekspresyonu gerçekleşiyor. Bu durum, aynı DNA’yı taşıyan hücrelerin nasıl olup da farklı işlevleri olabildiğini açıklıyor.

Son yıllarda biyologlar DNA’nın katlanış yöntemini belirleyen mekanik yönergeleri ortaya çıkarmaya başladı. Gelelim kuramsal fizikçilerin bu konuyla ne ilgisi olduğuna… Hollanda’da bulunan Leiden Üniversitesi’nden bir ekip, bir adım geriye gidip sürece genom ölçeğinden bakarak, bu mekanik yönergelerin de aslında DNA içinde kodlanmış durumda olduğunu bilgisayar simülasyonları ile doğruladı.

Helmut Schiessel liderliğindeki fizikçiler, ekmek mayasının ve fisyon mayasının genomlarını simüle etti ve sonra onlara tüm mekanik yönergeleri içeren rastgele ikinci düzey DNA bilgisi atadı. Bu yönergelerin DNA’nın nasıl katlanacağını etkilediğini ve hangi proteinlerin ifade edileceğini belirlediklerini gördüler. Böylece DNA mekaniğinin de DNA’nın içinde gizli olduğu ve evrimsel açıdan kodun kendisi kadar önemli olduğu anlaşılmış oldu. Bunun anlamı, DNA mutasyonlarının canlıyı etkilemesinin birden fazla yolu olduğu demek oluyor. DNA’daki harfler değiştirilerek de farklılık yaratılabilir, DNA’nın katlanışını belirleyen mekanik yönergeler değiştirilerek de farklılık yaratılabilir.

Sonuçları PLOS One dergisinde yayımlanan bu çalışma, biyologların zaten bildiği birşeyi doğrulamış oldu. Fakat işin heyecan verici yanı, bilgisayar simülasyonlarının devreye girmesiyle birlikte DNA’yı biçimlendiren mekanik yönergelerin kontrolünde bilimcilere yeni olasılıklar doğmuş olması. Belki bir gün istenmeyen genlerin ifadelerinden korunmak için DNA’nın katlanma biçimini değiştirebiliriz.

 

Kaynaklar:

  • Bilimfili,
  • Leiden Üniversitesi, “Second layer of information in DNA confirmed”
    < http://www.physics.leidenuniv.nl/index.php?id=11573&news=889&type=LION&ln=EN >
  • Science Alert, “Physicists confirm there’s a second layer of information hidden in our DNA”
    < http://www.sciencealert.com/scientists-confirm-a-second-layer-of-information-hiding-in-dna >

İlgili Makale: Behrouz Eslami-Mossallam, Raoul D. Schram, Marco Tompitak, John van Noort, Helmut Schiessel Multiplexing Genetic and Nucleosome Positioning Codes: A Computational Approach PLOS ONE Published: June 7, 2016http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0156905

Notlar:
[1] Eran Segal, Yvonne Fondufe-Mittendorf, Lingyi Chen, AnnChristine Thåström, Yair Field, Irene K. Moore, Ji-Ping Z. Wang and Jonathan Widom A genomic code for nucleosome positioning Nature 442, 772-778 (17 August 2006) | doi:10.1038/nature04979; Received 16 March 2006; Accepted 14 June 2006; Published online 19 July 2006
[2] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Trithorax-group_proteins
[3] http://www.nature.com/milestones/geneexpression/milestones/articles/milegene16.html

Yayım tarihi

Bitkiler Yağmur Damlalarının Dokunuşunu Hissedebiliyor

Batı Avustralya Üniversitesi’nden bir grup araştırmacı, yaprak üzerine düşen su damlacıklarının bitkinin içinde karmaşık tepkilere neden olduğunu keşfetti. Bitki dürtüldüğünde de benzer bir durumun olduğunu belirten ekip, bitkilerin büyük olasılıkla kendilerine ne olduğuna ilişkin yüksek bir farkındalıkları olduğunu belirtiyor. Dr.Olivier Van Aken liderliğinde yapılan bu çalışmadan elde edilen bulgular Plant Physiology dergisinde yayımlanan bir makale ile duyuruldu.

Bitkilerin dışarıdan gelen dokunuşlara bu şekilde tepki vermelerinin, tehlikeden korunmaya veya hava koşullarından yararlanmaya hazırlık amaçlı olabileceği düşünülüyor. Van Aken, her ne kadar bitkilere dokunulduğunda gözle görülebilir bir tepkiyle karşılaşılmasa da, bitki içinde bir sinyal çığı oluştuğunu ifade ediyor.

Daha önce yapılan araştırmalarda, bitkilere su püskürtüldüğünde binlerce bitki geninin ekspresyonundaki değişim gözlemlenmişti. Bu dramatik yanıt, püskürtmeyi izleyen dakikalar için gerçekleşiyor ve yaklaşık yarım saat içinde sonlanıyordu. “Bu tepkinin spreydeki herhangi bir etken maddeden değil, yaprak üzerine düşen su damlacıklarının fiziksel temasından kaynaklandığını ortaya koyduk,“ diyor Van Aken.

Ekip, buna benzer tepkilerin başka ne gibi durumlarda ortaya çıktığını da incelemiş. Görünüşe göre bitkiler hafifçe dürtüldüklerinde, cımbız ile dokunulduklarında ve ayrıca üzerlerine aniden gölge düşüp de aldıkları ışık azaldığında da böyle sinyaller veriyorlar. “Hayvanlardan farklı olarak, bitkiler tehlikelerden kaçamaz. Onun yerine, çevrelerini hissetmelerine, tehlikeleri algılamalarına ve uygun tepkileri vermelerine yardımcı olacak savunma sistemleri geliştirmiş gibiler. Yağmur yağdığında, rüzgar estiğinde, üzerlerinde böcek yürüdüğünde ve hatta hava bulutlandığında fark edebiliyorlar,” şeklinde açıklıyor Van Aken.

Yapılan çalışmada ayrıca iki protein tanımlandı: AtWRKY15 ve AtWRKY40. Bunlar bitkinin temasa tepki verme mekanizmasını devre dışı bırakmaya yarıyor. Tepki sinyalini kapatmak çok önemli, çünkü bitkilerin sinyali yanlış alarm olarak değerlendirip unutabilmesini ve normal yaşamına devam edebilmesini sağlıyor.

Van Aken şunları ekliyor: “İnsanlar genellikle bitkilerin dokunulduklarında bir şey hissetmediğini varsayar. Çalışmamız gösteriyor ki, aslında dokunuşlara son derece duyarlılar. Bulgularımız insanların bitkilerle olan etkileşimlerini tekrar gözden geçirmelerine neden olabilir. Onların çiçeklerini kopardığımızda, üzerlerine bastığımızda ya da ellerimizi üzerlerinde gezdirdiğimizde şikayet etmiyor gibi görünseler de, temastan net bir şekilde haberdarlar ve onlara karşı davranışlarımıza anında tepki veriyorlar.”

 

Kaynak:

  • Bilimfili,
  • Olivier Van Aken , Inge De Clercq, Aneta Ivanova , Simon R. Law, Frank Van Breusegem, A. Harvey Millar1, James Whelan Mitochondrial and chloroplast stress responses are modulated in distinct touch and chemical inhibition phases in Arabidopsis First Published on May 9, 2016, doi: http://dx.doi.org/10.1104/pp.16.00273 Plant Physiology May 9, 2016 pp.00273.2016
  • Phys.org, “Plants are ‘in touch’ with the world around them”
    < http://phys.org/news/2016-05-world.html >

Üst görsel: revelwallpapers.net

Yayım tarihi

Tek Bir Mutasyon Çok-Hücreliliğin Evrimi İçin Yeterli Olabilir

600 milyon yıldan fazla bir süre önce tek bir mutasyon gerçekleşti ve bu rastgele olay ile tek hücreli atalarımızın, organize ve çok hücreli organizmalar oluşturmalarını sağlayan yeni bir protein fonksiyonu ortaya çıktı. University of Oregon’dan biyokimyacı Ken Prehoda’nın laboratuvarında yürütülen bir takım moleküler ‘zaman yolculuğu’ çalışmaları ile üretilen senaryo bu.

Mutasyon ve mutasyonun protein interaksiyonlarında sebep olduğu değişiklik detayları ve sonuçları ile birlikteeLife’ta yayımlandı.

Araştırma bilim insanlarının kafasını kurcalamakta olan evrimle ilgili bir takım sorulara yardımcı olması bakımından büyük bir önem taşıyor. Araştırma ayrıca protein etkileşiminin azaldığı veya yok olduğu, böylelikle hücrelerin diğerleri ile iletişimini kopararak tek başlarına yaşadığı bilinen bir takım hastalıklarla ilgili (kanser de dahil olmak üzere) her açıdan çalışmalar için de önemli ipuçları barındırıyor.

Mutasyonlar hem iyi hem kötü sonuçlara veya ikisinin kombinasyonuna yol açabilirler. Mutant olsun olmasın tüm proteinler de vücudumuzda hep yapı malzemesi hem de metabolizma başta olmak üzere tüm işe koşturan moleküllerdir.

Prehoda bu temel üzerine şu soruları soruyor : ” Bir görevi yapan bir protein başka bir görevi yapacak biçime nasıl evrimleşir? Hücrelerin organize biçimde bir arada çalışmalarını sağlayan kompleks sistemler, ihtiyaçları olan birçok farklı proteini nasıl evrimleştirir? ” Aslında tüm bunlar çok basit birkaç mutasyonla bile gerçekleşebilecek şeyler iken, Prehoda öncülüğünde yürütülen araştırmadaki çok hücreli organizmaların oluşmasını da sağlamış olan protein etkileşiminin ortaya çıkması için tek bir mutasyon yeterli olmuştu.

Araştırma için Prehoda’nın ekibi, University of California, Berkeley’den Nicole King’in grubunun yardımı ile koana-kamçılıları olarak bilinen -choanoflagellates- üzerinde çalıştı. Bu canlı grubu tek hücreli ve özgür yaşayan organizmalardan oluşmakta ve bu organizmaların bugün yaşayan hayvanların tek hücreli yaşam döneminden en yakın akrabaları oldukları düşünülüyor. Bu sünger benzeri yaratıklar hücreden dışarı doğru uzanan kamçılara sahipler ve bu organelleri ile hareketlerini , besin toplama işlerini gerçekleştiriyorlar. Koana-kamçılılar hem tek başlarına tek-hücreli hem de çok-hücreli koloniler biçiminde yaşayabiliyor.

cok-hucreli-canlilar-tek-bir-mutasyonla-olustu-bilimfilicom

Yandaki görselde bölünmekte olan  choanoflagellate tek hücrelisinin flüoresan mikrograf görüntüsü (üstte) bulunuyor. DNA’sı mavi renkte, kamçısı ve mitotik iğciği yeşil renkte görülüyor. Alttaki parçada ise küçük bir choanoflagellate kolonisini görmek mümkün. Yine burada da üstte görünen hücre bölünme aşamasında. Prehoda’nın laboratuarı bu inceleme ile hayvanlarda organize çok hücrelilik durumunun evrimleşmesinde flajella (kamçı) ile bölünme oryantasyonunun önemli rolleri olabileceğini öne sürüyor.

Araştırmada ayrıca choanoflagellate kamçılarının çok-hücreli kolonilerin organizasyonu için kritik olduğu buradan yola çıkarak da tek hücreli atalarımızdan çok hücreli hale belki de bu kamçılar sayesinde geçilmiş olduğu belirtildi.

Prehoda’nın ekibi, kamçıların rolünün tek hücrelilerde bir enzimi kodlayan genin duplikasyonu ve sonuçta oluşan bu gen kopyalarından birinin tek bir mutasyon ile yeni yapılan hücreleri organize etme ve ayarlama yeteneği kazanması sonucu daha az önemli hale gelmiş olabileceğini öne sürüyor. Mutasyonun ürünü bu protein alanı bugün tüm hayvan ve hatta hayvanların yakın akrabası olan bazı tek hücrelilerin genomlarında ortak olarak bulunuyor.

Prehoda’nın açıklaması ise şöyle : ” Bu mutasyon bir proteinin fonksiyonunu dramatik biçimde değiştiren ve tamamen farklı bir görevi gerçekleştirmesini sağlayan basit bir değişiklikten ibaret. Hayvanların bu mutasyonlara çok düşkün olduklarını söyleyebilirsiniz çünkü hücrelerimizde onlardan tam 70 tanesini barındırıyoruz.”

Kaynak :

  • Bilimfili,
  • Douglas P Anderson, Dustin S Whitney, Victor Hanson-Smith, Arielle Woznica, William Campodonico-Burnett, Brian F Volkman, Nicole King, Kenneth E Prehoda, Joseph W Thornton. Evolution of an ancient protein function involved in organized multicellularity in animals.eLife, 2016; 5 DOI: 10.7554/eLife.10147
Yayım tarihi

Gözdeki Nöronlar Hareketi Algılamak İçin Matematikten Yararlanıyor

Gözlerimiz beynimize sürekli olarak çevremizde olup bitenler hakkında bilgi gönderir. Gelen bilgi beyinde tanıyabileceğimiz nesneler biçiminde düzenlenir. Bu süreçte gözde bulunan bir dizi nöron, bilgi taşınımı içinelektriksel ve kimyasal sinyaller kullanır. Ulusal Sağlık Enstitüleri’nde (İng. National Institutes of Health – NIH) fareler üzerinde yapılan bir çalışmada bir nöron türünün bu sayede nasıl hareket eden nesneleri ayırt edebildiği ortaya kondu. Buna göre, normalde öğrenme ve bellek ile ilişkilendirilen bir protein olan NMDA reseptörü, gözdeki ve beyindeki nöronlara bu bilgiyi taşımada yardımcı olabiliyor.

Araştırmadan elde edilen bulgular Neuron dergisinde yayımlanan ve baş yazarlığını Jeffrey S. Diamond’ın yaptığı bir makale ile açıklandı. “Göz hem dış dünyaya, hem de beynin içsel işleyişine açılan bir penceredir. Yaptığımız çalışma, gözdeki ve beyindeki nöronların karmaşık bir görsel dünyada hareketi algılamalarına yardımcı olması için NMDA almaçlarını nasıl kullanabileceklerini gösterdi,” diyor Dr. Diamond.

Işık göze girip, göz küresinin arkasındaki retinaya ulaştığında görme başlar. Retinada bulunan nöronlar, ışığı sinirsel sinyallere dönüştürerek beyne iletir. Dr.Diamond’un laboratuvar ekibinden Dr. Alon Poleg-Polsky, fare retinası üzerinde yaptığı çalışmalar sırasında yönelimsel seçici retina ganglion hücrelerini (İng. directionally selective retinal ganglion cells – DSGC) incelemiş. DSGC hücrelerinin göze göre belli yönlerde hareket eden nesneler olduğunda ateşlenerek, beyne sinyal gönderdiği biliniyor.

Elektriksel olarak kaydedilen verilere göre bu hücrelerin bir bölümü retinaya ışık hüzmesi soldan sağa doğrudüştüğünde ateşlenirken, hücrelerin diğer bir bölümü ise ışık hüzmesi retinaya ters yönde düştüğünde ateşleniyor. Daha önce yapılan çalışmalarda, bu benzersiz tepkilerin komşu hücrelerin kimyasal iletişim noktaları olan sinapslardan gönderilen sinyallerin alımı ile kontrol edildiği öne sürülmüştü. Bu çalışmada Dr. Poleg-Polsky bir sinaps kümesindeki NMDA reseptörlerinin aktivitesinin, DSGC hücrelerinin beyne yöne duyarlı bilgi gönderip göndermeyeceğini düzenleyebileceğini keşfetti.

NMDA almaçları, glutamat ve glisin nörokimyasallarına tepki olarak elektriksel sinyaller üreten proteinlerdir. Etkinleştiklerinde, elektriksel yük taşıyan iyonların tıpkı kapağı açılmış bir kanala akan su gibi hücrelerden içeri ve dışarı akışına izin verirler.

1980’lerin başlarında Fransa’da ve NIH Enstitüleri’nde yapılan çalışmalarda, nöron kuvvetle aktifleştirilmediği ve elektriksel durumu belli bir gerilimin üstüne çıkmadığı sürece magnezyumun akışı engellediği görülmüştür. Bu düzenlemenin belli öğrenme ve bellek türleri için ve ayrıca nöronlardaki sinyallerin yükseltilmesi (İng. amplify) için kritik olduğu düşünülmüştür.

Dr.Poleg-Polsky tarafından yapılan başka deneylerde de magnezyumun NMDA almaçları üzerindeki kontrolünün DSGC hücrelerinin ateşlenmesini nasıl düzenleyebildiği incelendi. Gerçek koşulları taklit etmek için Dr.Poleg-Polsky farklı arka plan ışıklarına maruz bıraktığı retinaların üzerinden ışık hüzmeleri geçirdi. Araştırma sonuçları, arka plandaki ışıkların ürettiği sinyal akışının karışmasına rağmen, geçen ışık hüzmelerine yanıt olarak hücrelerin beyne sürekli bilgi iletiminin değişken magnezyum engeli ile güvencelendiğini ortaya koydu.

NMDA almaçları hücrelerin hüzmelere verdiği tepkileri çarpımsal ölçekleme (İng. multiplicative scaling) adı verilen bir işlemle yükselterek bunu gerçekleştiriyor. “Gözdeki hücreler çarpma işlemi yapabiliyor. Bu da hücrelerin bir kaplanın aheste bir biçimde geziniyor mu yoksa hızlı hareketlerle yemek peşinde mi olduğunu belirlemesine yardımcı oluyor,” diyor Dr.Poleg-Polsky. Bu çalışmanın sonuçları, NMDA almaçlarının nöronların bilgi iletiminde nasıl kritik bir rol oynadığını öneren ve giderek artan kanıtlar yığınını destekliyor. “Elde ettiğimiz sonuçlara bakılırsa, NMDA almaçları nöronların kendilerini ilgilendiren bilgiyi gereksiz arka plan gürültüsünden ayırmalarına yardımcı oluyor,” diyor Dr.Diamond.

 

Kaynak:

  • Bilimfili
  • MedicalXpress, “Eye cells may use math to detect motion”
    < http://medicalxpress.com/news/2016-03-eye-cells-math-motion.html >

İlgili Makale: Alon Poleg-Polsky et al. “NMDA Receptors Multiplicatively Scale Visual Signals and Enhance Directional Motion Discrimination in Retinal Ganglion Cells”, Neuron (2016). DOI: 10.1016/j.neuron.2016.02.013  

Yayım tarihi

İlk Yaşayan Süperbilgisayar Geliştirildi

Alışıldık süperbilgisayarlar gerçekten hayranlık uyandırıyor. Akıllara durgunluk verecek denli karmaşık hesaplamaları nispeten kısa sürede gerçekleştirebiliyorlar; fakat çok pahalılar, çok fazla güç tüketiyorlar, çalışırken aşırı derecede ısınıyorlar ve çoğu zaman evinizden daha büyük boyutlarda oluyorlar. Bu dezavantajlardan varolan teknolojik yaklaşımla kurtulmak da mümkün değil.

Acaba günümüzün elektriksel devrelere dayalı teknolojisinden tümüyle farklı bir hesaplama yaklaşımı olabilir mi? İşte yeni biyolojik süperbilgisayar modelinin ardında yatan düşünce buydu. Uluslararası bir bilim ekibi tarafından gerçeğe dönüştürülen bu fikir, dünyanın ilk nefes alan süperbilgisayarının doğmasını sağladı. Biyolojik süperbilgisayar bizimle aynı enerji kaynaklarını kullanıyor. Yaşayan bir mikroçipin etrafında enformasyon iletimi yapmak için elektronların yerine proteinleri kullanıyor.

Araştırmacıların tasarladığı çip minicik; sadece 1,5 santimetre karelik bir yüzölçümüne sahip. Ama yakından baktığınızda, üzerinde kalabalık bir şehri andıran yollar olduğunu görebilirsiniz. Protein zincirleri bu küçük metropolün caddeleri boyunca; yani devreye eklemlenmiş çok çok ince kanallarda ilerliyorlar. “Çok küçük bir alanda, çok karmaşık bir ağ yaratmayı başardık,” şeklinde açıklıyor Kanada McGill Üniversitesi’nden biyomühendis Dan Nicolau Sr.

Video Player

Normal bir mikroçipte elektronların yaptığı işi, biyolojik bilgisayarda protein zincirleri yerine getiriyor. Tüm canlı organizmalarda hücre düzeyinde enerji aktarımından sorumlu olan ATP (adenozin trifosfat) kimyasalı, biyolojik süperbilgisayarın proteinlerine de güç sağlıyor.

Yaşayan bilgisayar devrinin başlamasına henüz çok var. Ama araştırmacıların dediğine göre boyutlarının küçüklüğü, son derece verimli olmaları ve çalışırken çok az ısı yaymaları dolayısıyla, günün birinde paralel hesaplama yapabilen (aynı anda sayısız hesaplamayı gerçekleştirebilen) yeni nesil süperbilgisayarların üretilmesini sağlayabilirler.

Proceedings of the National Academy of Sciences  dergisinde yayımlanan makalelerinde, araştırmacılarbiyobilgisayarı bir matematiksel problemle sınadıklarını belirtiyor. Çipin içinde bulunan biyolojik ajanların, devre içinden yönetilen hareketleri sayesinde hesaplamayı gerçekleştirdiğini ifade ediyorlar. Bu da modelin çalıştığını ve yaşayan bilgisayarların ileride süperbilgisayarların önemli bir parçası olacağını ortaya koyuyor. Hatta belki bildik silikon makinelerle bile kaynaştırılabilirler.

Dan Nicolau Sr. şöyle değerlendiriyor: “Problemlerden birini bu model ile başarılı bir şekilde çözebildiğimizi gördük. Bunu pek çok başkaları izleyecektir. Örneğin, farklı biyolojik ajanlar deneyeceğiz. Tam anlamıyla çalışabilir durumda bir biyosüperbilgisayarı ne zaman görebileceğimizi söylemek ise güç. Belki elimizdeki cihazı normal bir bilgisayar ile birleştirip, hibrit bir makine ile karmaşık problemleri çözmeyi deneyerek ilerleyebiliriz. Araştırmamızı ilerletmek için pek çok farklı yöntem denemekteyiz.”

Video Player

Kaynaklar:

  • Bilimfili,
  • McGill Üniversitesi, “Building living, breathing supercomputers“, <http://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/building-living-breathing-supercomputers-259294>
  • Science Alert, “Scientists have developed the world’s first living, breathing supercomputer“, <http://www.sciencealert.com/scientists-have-developed-the-world-s-first-living-breathing-supercomputer>

İlgili Makale: Dan V. Nicolau, Jr. Mercy Lardc, Till Kortend, Falco C. M. J. M. van Delft, Malin Perssong, Elina Bengtssong, Alf Månssong, Stefan Diez, Heiner Linke, and Dan V. Nicolau Parallel computation with molecular-motor-propelled agents in nanofabricated networks  proceedings of the national academy of sciences January 18, 2016 Dan V. Nicolau Jr., doi: 10.1073/pnas.1510825113

WordPress gururla sunar