Araştırmacılar Yanlışlıkla Hücre Olmaksızın Metabolizma Yaratmayı Başardılar!

Cambridge Üniversitesi'nde bir kalite kontrol prosedürünü kısa yoldan halletmeye çalışan bir doktora öğrencisi, hücreden bağımsız bir metabolizmanın oluşabileceğine dair ilk kanıtı yanlışlıkla keşfetti. Beklenmedik bu sonuç, yaşamın kökeniyle ilgili bir gizemi daha ortadan kaldırabilir.

Yaşamın nasıl başladığı biyologlar arasında sık tartışılan bir konudur. Bazıları önemli enzimlerin ve proteinlerin üretilmesinden tutun da bilgi depolama ve iletim işlerine kadar sahip olduğu çok sayıda görevden ötürü, Dünya üzerinde ilk olarak RNA'ların var olduğunu düşünmektedir. Diğerleri ise metabolizmanın ilk olarak var olduğu ve süreç içerisinde bu metabolizmanın RNA'yı ürettiği görüşünde. Metabolizmanın (bütün hücrelerde bulunan ve hücreye hayatta kalabilmesi için ihtiyacı olan ham maddeleri sağlayan reaksiyon dizisi) çok basit koşullarda gerçekleşebilir olduğunu gösteren bu tesadüfi buluş "Hayat ilk olarak nasıl oluştu?" sorusunun cevabını ararken çok yardımcı olacak yeni bir bakış açısı kazandırdı. Bu aynı zamanda yaşam için gerekli karmaşık süreçlerin, sürpriz bir şeklide, basit bir kökene sahip olduğunu gösteriyor olabilir. Araştırmanın başında bulunan Cambridge Üniversitesi’nde Markus Ralser şöyle söylüyor:

İnsanlar şimdiye kadar bu metabolik yolakların çok kompleks olduğundan yakınıp, ortamı için gerekli kimyasal koşullar sağlansa da bu süreçlerin sürdürülemeyeceğini söylüyorlardı.

Bunun gibi birçok karmaşık reaksiyonları, şu anda hücrelerimizde enzimler sayesinde hızlandırılıp kolaylaştırabiliyoruz, fakat Markus Ralser’in keşfi, Dünya’nın ilk okyanuslarında, bu reaksiyonların metal iyonlarının katalizör görevini üstlenmesiyle kendiliğinden gerçekleştiğini gösteriyor olabilir. Metabolizmanın kökeni ise hayatın başlangıcını anlama sürecinde bizim için hala gizemini koruyan büyük bir sır. Markus Ralser şöyle söylüyor:

Dünya’nın dört bir yanındaki birçok farklı organizmayı incelediğimizde, bu reaksiyon dizilerinin çok benzer şekilde ilerlediğini görebiliyoruz, bu sonuç, bize, reaksiyon dizilerinin, evrim sürecine çok erken evrelerinden itibaren katıldığını gösteriyor, fakat kimse kesin olarak ne zaman ve nasıl olduğunu bilmiyor.

İnanılmaz bir şekilde bu buluş, Ralser’in laboratuvarında bulunan kültür hücrelerinin rutin kalite kontrol testleri sırasında yapılan bir hata sonucunda ortaya çıktı. Markus Ralser'in laboratuvarında çalışan öğrenci, henüz kullanılmamış bir hücre kültürü besiyeri içerisinde piruvat bulunduğunu tespit etti. Ancak piruvat orada olmamalıydı. Piruvat, şeker yıkımının (glikoliz) bir ürünüdür. Bu yıkım sırasında glikoz şekeri parçalanarak, hücreye enerji veren ATP üretilir ve piruvat da o basamaklardan birinde oluşur. Öğrenci, daha önce kullanılmayan ama pürivatı tespit edebilen bir bileşenle kütle spektrometresini çalıştırmaya karar verdi. Bu testin sonuçları, metabolizmanın evrimsel kökenine beklenmedik bir ışık tuttu. New Scientist dergisine Linda Geddes şöyle yazıyor:

Aynı süreçlerin Dünya'da yaşamı tetiklediğini test etmek için, 4 milyar yıl önce yeryüzünü kaplayan Arkean Okyanusu'nun kimyasını yeniden oluşturmaya çalışan Yer Bilimleri Bölümü'ndeki meslektaşlarıyla işbirliği yaptılar. Bu zamanlarda oksijen yoktu, fotosentez başlamamıştı, sularda birçok diğer metalle birlikte bol miktarda demir bulunuyordu. Ayrıca fosfat da bulunuyordu. Tüm bu bileşenler bugün modern hücrelerde gördüğümüz gibi olan kimyasal tepkimeleri mümkün kılmış olabilir.

Araştırma ekibi erken okyanus koşullarını taklit ederek, modern metabolik süreçlerin başlangıcında bulunan içerikleri ortama kattılar. Sonrasında bu karışımları, hidrotermal bacaların etrafındaki sıcaklıklara kadar ısıttılar. Bunun sonucunda oluşan bileşiklere bakarak, hangi kimyasal tepkimelerin oluştuğunu ve bunların hangilerinin metabolik yolaklara benzediğini ayırt edebiliyorlardı. Açıklamalar şöyle devam ediyor:

Tespit ettikleri kimyasal yolaklar glikoliz ve pentoz fosfat yolaklarıydı. Ralser'in dediğine göre bunlar, 'her yaşayan hücrenin metabolik omurgası olan tepkimelerdir'. Bu yolaklar bir arada çalışarak hücrelerin çalışmasını sağlayan ATP; DNA ve RNA'yı oluşturan şekerler ve yağlar ile proteinlerin oluşumunu sağlayan moleküllerin üretimini sağlar. 

Toplamda 29 metabolizma-benzeri kimyasal tepkime tespit edildi. Bunlar, demir ve erken okyanus çökeltilerinde o zamanlarda da bulunan diğer metaller tarafından katalize edilebiliyor gibi gözüküyor. Bu metabolik yolaklar modern versiyonları ile birebir aynı değildir; bazı ara basamak molekülleri tespit edilememiştir. Ancak Ralser şöyle söylüyor:

Bunları yan yana kıyaslayacak olursanız, aynı yapıda olduklarını ve birçok aynı molekülün oluştuğunu görebilirsiniz.

Belki daha da şaşırtıcı bir şekilde, RNA'nın öncülü olan riboz-5-fosfat keşfedilmiştir. RNA, DNA'nın tek şeritli kuzenidir. RNA, bilgi depolar, kopyalanabilir ve kimyasal tepkimelerin hızla başlamasını sağlar. Bu bulgular okyanuslardaki metabolik süreçlerin zaman içerisinde RNA öncüllerinin oluşumunu sağlamış olabileceğini gösteriyor.

Şimdilik gözlenen tepkimeler sadece bir yöne doğru gidiyor: karmaşık şekerlerden daha basit, piruvat gibi ürün moleküllere doğru... Araştırmacılar halen diğer yöne doğru bir oluşum gözlemediler. Yani şekerlerin yıkılmasındansa, yapılması yönünde... Bunun kanıtı olmaksızın, bazı biyologlar bu bulguların günümüzdeki yolakları oluşturduğuna şüpheci yaklaşıyorlar. University College London'dan Matthew Powner şöyle söylüyor:

Bence bu makale yaşamın kökenleriyle ilgili çok ilginç bilgiler veriyor. Daha karmaşık enzimlerin nasıl evrimleştiği ile ilgili ipuçları veriyor; çünkü bu erken süreçleri daha etkili kılanlar seçilmiş olabilir. Ancak büyük bir sorun var. Yaşamın kökeni için kaynak moleküllerin nereden geldiğini anlamak gerekiyor. Şimdiye kadar kimse bunların erken okyanuslarda spontane olarak oluşabileceğini gösteremedi.

Harvard Üniversitesi’nde hayatın başlangıcı konusunda çalışan Jack Szostak şöyle söylüyor:

Bu veriye göre bazı kişiler okyanustaki organik malzemenin modern metabolizmayı üretmek yerine tamamen parçalanacağı sonucuna da varabilir. Şunu söyleyebilirim ki metabolizma, hücreler içerisinde her seferinde bir reaksiyon ve bir katalizör olacak şekilde evrimleşmek zorundaydı.

Fakat Ralser bu fikre katılmıyor. Ona göre Arkeyan Okyanusu’ndaki bir reaksiyon, bir enzim ya da molekül tarafından katalize edilseydi de sonuç aynı olacaktı. Ralser sözlerini şöyle bitiriyor:

Bütün kimyasal reaksiyonlar prensipte yapıları gereği iki yönlüdür; tepkimeyi katalize eden enzim de olsa, basit bir molekül de olsa...

Ralser gibi metabolizmanın RNA'dan önce evrimleştiğini savunan bazı diğer diğer araştırmacılar da, bu araştırmanın yaşamın kökenlerine önemli bir ışık tuttuğu kanaatinde. Ancak halen cevaplanması gereken sorular var. Yani sonucu zaman gösterecek.