Moleküler - WordPress.com
Transkript
Moleküler - WordPress.com
biyoloji Alman biyolog Ernst Haeckel’in 1800’lerde çizdiği “hayat ağacı”ndan bugüne evrim çalışmaları çok yol katetti. Dr. Betül Kaçar-Arslan, Georgia Teknoloji Enstitüsü Moleküler zaman makineleri Hayat en baştan tekrar başlasaydı yine aynı şekilde mi evrilirdi, yoksa bambaşka bir yönelim mi gösterirdi? Gelişen tekniklerle artık milyonlarca yıl öncesindeki molekülleri diriltmek ve cevaba ulaşmak mümkün. E vrimin ne olduğu ve ne olmadığı, bilimsel içerikli olsun olmasın birçok tartışmanın gündemini oluşturuyor. Kafaların karıştığı noktada evrimin aslında ne anlama geldiğini hatırlamak için bu kelimenin sözlük anlamına bakmak gerek. Evrim; zaman içinde, birdenbire olmayan, kesintisiz, niteliksel ve niceliksel bir gelişme sürecidir. Evrim gelişmektir. Gelişim, zaman içerisinde ilerlemeyle gerçekleşir. Peki, kavramsal olarak “ilerlemek” anlamına gelen evrim hep aynı sonuçları mı doğurur? Hayat en baştan tekrar başlasaydı yine aynı şekilde mi evrilirdi? Yoksa bambaşka bir yönelim mi gösterirdi? Evrim sürecini ve hayatın temellerini anlamak isteyen biz biliminsanları için evrim olgusunun rastlantısal olup olmadığı heyecan verici bir tartışma konusu. Neyse ki, hayatın kendisi gibi bilim ve bilimsel metodoloji de aynı kalmıyor; ilerliyor, değişiyor, gelişiyor. Gelişen yöntemler bize daha karmaşık soruları, daha yalın ve kolayca çözmek için yeni olanaklar sunuyor. Soyoluş (filogeni) analiziyle zaman içinde yolculuk yaparak moleküllerin milyarlarca yıl önceki hallerine ulaşmak, bu yöntemlerden biri. Nasıl ki bir filolog günümüzde artık kullanılmayan bir dili anlamak için modern dillerden yola çıkarak eski alfabeleri oluşturmaya çalışıyorsa, soyoluş ağacı da günümüze ait moleküllerin genetik alfabesinden, yani DNA’sından yola çıkıp zaman içinde geriye giderek, aynı molekülün tarih içindeki yapılarına ulaşmaya çalışır. >>> 110 NTV B‹L‹M | Kasım 2009 Kasım 2009 | NTV B‹L‹M 111 biyoloji Zaman içindeki değişimleri incelemek için –şimdilik– bir zaman makinesi olmadığından, bilgisayarda geliştirilen bir yöntemle milyonlarca yıl öncesine gidip, herhangi bir dönemdeki herhangi bir molekülün (ister protein, ister DNA) neye benzediğini keşfetmek de tatmin edici sonuçlar verebilir. Ekim 2009’da Nature dergisinde yayımlanan bir makale, bu tekniğin ne kadar ileri (aslında ne kadar geri!) gidebileceğini gösteriyor. Joe Thornton ve ekibi, en eski moleküler yapılardan biri olan ve kortizol hormonuna bağlanarak insanların strese karşı savunmasını harekete geçiren bir steroid (glukokortikoid) reseptörünü seçerek, bu reseptörün 450 ila 410 milyon yıl öncesine ait iki halini soyoluş analizi ile oluşturdu. Deneylerin sonuçlarına göre, birden fazla hormona bağlanabilen 450 milyon yıl öncesine ait reseptör, 40 milyon Lenski’nin petri kabında büyüttüğü bakteri kültürleri. yılda özelleşerek bir tek kortizol hormonuna bağlanmaya başlamıştı. Bu reseptörler arasında sadece birkaç amino asit farkı bulunduğunu gören araştırmacılar, daha sonra mutasyon yöntemiyle bu iki yapıyı birbirine benzetmeye çalıştılar. 450 milyon yaşındaki reseptör, amino asitleri değiştirilerek tıpkı 40 milyon yıl sonraki reseptör gibi özelleştirilebilse de, aksi gerçekleştirilemiyordu. Geri dönüşü olmayan evrim Peki A noktasından B noktasına giden proteinin, B noktasından A noktasına dönüşü neden çok güç? Thornton’a göre bu sorunun cevabı kısa ve net: Evrim geri dönüşü olmayan bir olgudur. Reseptör örneğindeki gibi, evrim sürecinde kendi içinde “kısıtlayıcı mutasyonlar” geliştiren moleküler yapılar, geçmişe ait köprüleri yakarak değişir. Bilimin her alanında olduğu gibi, bu iddialı teoriyi destekleyen ya da çürüten birçok çalışmayı da önümüzdeki yıllarda takip edeceğimiz kesin. İlk sorumuza dönelim: A noktasında başlayan evrim her seferinde B noktasına mı yönelir, yoksa bambaşka bir yöneylem mi gösterir? Moleküler yapı, A noktasından B noktasına yolculuğu sırasında birçok çevresel etkiye maruz kalacaktır. Yapının geçirdiği rasgele mutasyonların kimi organizmaya yarar sağlayacak etkiler doğururken, herhangi bir işleve hizmet etmeyen, yani organizmaya bir yarar sağlamayan mutasyonlar da o organizmanın doğal seçilime maruz kalarak elenmesine neden olur. Dolayısıyla genetik sürüklenmelerle oluşan ve biriken, kalıtım yoluyla da diğer nesillere aktarılan genler giderek karmaşıklaşır. Bu karmaşıklık her zaman organizmanın yararına işlemeyerek çoğu zaman işleri zorlaştıracaktır. Fotoğraf: G. L. Kohuth Thornton, en eski moleküler yapılardan steroid reseptörü laboratuvarda canlandırarak, evrim süreçlerini belirledi. Renkli küreler reseptörün evrimleşen parçalarını gösteriyor. Kısacası, organizmanın kaderi bu rastgele değişimlere ve bu değişimlerin etkisine bağlıdır. Sorduğumuz soru da aslında bu rasgelelik üzerine kurulu. Eğer evrimsel değişim ve doğal seçilim rastlantılar üzerine kurulu ise, moleküllerin her seferinde aynı şekilde evrileceğini düşünmek ne kadar akılcı? Ünlü biyolog Stephen Jay Gould’a göre bu belirsizlikten dolayı evrimin ulaşacağı noktayı kestirmek güç; tabiri caizse hayatın kasetini başa sarsak, dinlediğimiz şarkıların çok daha başka olacağını belirtiyor Gould. Richard Dawkins’in de dahil olduğu bir diğer grup ise evrimin her seferinde aynı şekilde yol alacağını ve yol ne kadar farklı olursa olsun, her türlü evrim sürecinin sonunda aynı kapıya çıkacağını düşünüyor. Lenski’nin “akıllı ve güçlü” bakterileri Bu iki farklı teze cevap vermeyi amaçlayan önemli çalışmalardan biri, Michigan State Üniversitesi’nde araştırma yapan Richard Lenski tarafından 112 NTV B‹L‹M | Kasım 2009 gerçekleştirildi. Dawkins’in son kitabı The Greatest Show on Earth’de uzun uzun bahsettiği bu deneysel evrim çalışmasının sonucuna göre, evrim kendini tekrar eden bir olgu değil ve aynı şartlar altında farklı bir yöneylem gerçekleşebilir. Lenski’nin çalışması, deneysel evrim alanındaki en yalın ve zekice kurgulanmış deneylerden biri sayılabilecek kadar güzel. 1988’de başladığı deney için 20 yılda toplam 44 bine yakın bakteriyel nesil analizi yapan Lenski, bakteri hücrelerini minimal düzeyde beslenebilecekleri bir ortamda yetiştirerek, değişen ortama nasıl adaptasyon sağlayacaklarını test ediyor. Bakterileri beslenebilecekleri ideal bir glukoz ortamına koyarak, sadece bu kısıtlı besin ortamında hayatta kalabilen bakterilerle aynı deneyi 15 yıl boyunca sürdürüyor. Memelilerin adaptasyon süreci binlerce yıl aldığından Lenski, bu değişimi bakterileri kullanarak daha kısa bir sürede gözlemeyi hedeflemiş. Zira insanlığın 44 bin nesli –her nesil için ortalama 70 yıl düşünüldüğünde– yaklaşık 3 milyon yıla karşılık geliyor. Fakat bakteriler 20 dakikada bir bölündüğünden ve her bölünme yeni bir nesil sayıldığından, 44 bin neslin elde edilmesi evrimsel açıdan çok daha kısa bir süreç. Lenski, bu şekilde büyüttüğü bakterilerde 30 bin nesil (yaklaşık 15 yıl) bir değişiklik gözlemlemiyor. Fakat 30 bin nesil sonrasında, bir gün aniden oluşan ve sağlıklı bir şekilde büyümüş başka bir bakteri soyuyla karşılaşıyor. Bu yeni bakteri kültürünün, glukozla değil ortamda bulunan başka bir besin olan “sitrat”ı temel besin maddesi olarak kullanacak şekilde evrildiğini gözlemliyor. Bunun nedeni ise, bakterilerin genomlarında gerçekleşen değişiklik ve yeni şartlara sağladıkları uyum. Genomlarındaki hangi değişikliğin bu değişime yol açtığı henüz bilinmese de, asıl besin kaynağı glukoz olmayan yepyeni bir tür bakteri kültürünün evrimleştiği kesin. Yine başa dönersek, evrim süreci geri dönüşü olmayan ve kendini tekrar etmeyen bir süreç midir? Thornton ve Lenski’nin son çalışmalarına göre, “evet”. Bilimsel tecrübelerimiz bu deneyleri kendine özgü kriterleriyle değerlendirmemizi bize öğrettiyse de kesin olan bir şey var ki, bu veriler bambaşka sistemlere ve organizmalara uygulandığında evrimsel süreci anlamamız yönünde algımızı değiştirerek yeni kapılar açacak. En azından bir “zaman makinesi” icat edilene dek... B KAYNAK Bridgham JT, Ortlund EA, Thornton JW., “An epistatic ratchet constrains the direction of glucocorticoid receptor evolution”, Nature 461:515-519 (2009). Blount, Z.D., Borland, C.Z., Lenski, R.E., “Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli”, PNAS 105:23, pp. 7899-7906 (2008). Kasım 2009 | NTV B‹L‹M 113