Bilim İnsanları, Canlılığı Başlatan İlk Hücrelerin, Hücre Zarını Bozan Yapıdaki İyonların Varlığında Nasıl Evrimleştiğini Çözdüler!

Dünya'da yaşam, yaklaşık 4 milyar yıl önce, ilk hücrelerin karbonca zengin bileşiklerden oluşan karmaşık ilkel bir çorbada oluşmasıyla ortaya çıktı ve bu hücreler, kimyasal bir bilmeceyle karşı karşıya kaldılar: Temel fonksiyonlarını yerine getirebilmeleri için ilkel çorbadaki belirli iyonlara ihtiyaçları vardı; fakat bu yüklü iyonlar, hücrenin içeriğini sarmalayan basit hücre zarlarını dağıtan yapıdaydı!

Washington Üniversitesi'ndeki bir grup araştırmacı, sadece Dünya'nın ilk zamanlarında bulunan molekülleri kullanarak, bu bulmacayı çözmeyi başardı. Ekip, yağ asidi moleküllerinden oluşan, zarlarla çevrili ve hücre büyüklüğünde sıvı dolu bölmeler kullanarak, proteinlerin yapı taşları olan aminoasitlerin, hücre zarını magnezyum iyonlarına karşı dengede tutabileceğini keşfetti. Elde edilen sonuçlar; ilk hücrelerin, hücre zarının dengesini sağlarken, DNA ile ilişkili olan ve sentezlenmesi için magnezyuma ihtiyaç duyan RNA'da genetik maddelerini kodlamaları için ortam sağladı.

SciTechDaily

Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlanan bulgular, aminoasitlerin elverişsiz ortamlarda zarları nasıl dengede tutabileceğini açıklamanın ötesine geçiyor.^[1] Bulgular ayrıca hücresel yapıların; hücre zarları, proteinler ve RNA gibi bireysel yapı taşlarının, eski Dünya'daki sulu ortamlarda birlikte nasıl yerleşmiş olabileceğini gösteriyor. Washington Üniversitesinde kimya ve biyomühendislik profesörü olan çalışmanın ortak yazarı Roy Black şöyle söylüyor:

Hücreler, birbirlerinden tamamen farklı türde yapı taşlarına sahip çok farklı yapılardan meydana geliyor ve hücrelerin, işlevlerini yerine getirebilmek için neden bir araya geldikleri konusu hala net değil. Varsayım ise hücrelerin bir şekilde bir araya geldikleri yönündeydi.

Black, Amgen'deki (Ç.N.: Amgen, merkezi Amerika'da bulunan bir biyoteknoloji ve ilaç şirketidir.) kariyerinden sonra bu "bilinmezliğin" ardındaki kayıp ve can alıcı boşlukları doldurmak üzere Washington Üniversitesine geldi ve burada, Sarah Keller adında, hücre zarları üzerinde uzmanlaşmış bir kimya profesörü ile birlikte çalışmaya başladı.

Yağ asidi moleküllerinin hücre zarını oluşturmak üzere kendi kendine birleşmesini gözlemlemek Black'e ilham veriyordu ve bu hücre zarlarının, RNA ve proteinlerin yapı taşlarının birleşmesi için elverişli bir yüzey görevini üslenebileceği varsayımında bulundu. Çalışmanın ortak yazarı olan Keller şöyle söylüyor:

Farklı moleküllerin, ilkel çorbanın içinde adeta tüylü tenis topları gibi hareket ettiğini ve sallanan büyük bir kutudaki sert squash topları gibi zıpladığını hayal edebilirsiniz (Ç.N.: Squash, tenise benzeyen bir tür raket oyunudur; fakat squash topu, tenis topuna kıyasla daha küçüktür). Kutunun bir yüzeyini cırtcırtla kaplayacak olursanız, sadece tenis topları bu yüzeye yapışacak ve birbirlerine yakın olacaktır. Roy, yerel molekül konsantrasyonlarının benzer bir mekanizmayla geliştirilebileceğini seziyordu.

Ekip daha önce, RNA'nın yapı taşlarının tercihen yağ asidi zarlarına bağlandığını ve ayrıca şaşırtıcı bir biçimde, tuz gibi, geçmişte ve günümüzde yaygın olan bileşenlerin zararlı etkilerine karşı hassas olan hücre zarını dengelediğini göstermişti.

SciTechDaily

Ekip ayrıca, aminoasitlerin hücre zarlarını dengeleyebileceği hipotezini ortaya attı. 10 farklı aminoasidin hücre zarlarıyla nasıl etkileşime girdiğini test etmek için ışık mikroskobu, elektron mikroskobu ve spektroskopi dahil birçok farklı deneysel teknik kullandılar.

Deneyler, belirli aminoasitlerin hücre zarlarına bağlanarak hücre zarlarını dengelediğini ortaya çıkardı ve hatta bazı aminoasitler soğan katmanlarına benzer eşmerkezli zar küreleri oluşturmak gibi büyük yapısal değişiklikleri de tetikledi. Washington Üniversitesi Kimya Bölümünde doktora öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı olan Caitlin Cornell şöyle söylüyor:

Aminoasitler, vezikülleri sadece magnezyum iyonları tarafından bozulmalarına karşı korumakla kalmadılar, aynı zamanda iç içe geçmiş zarlar gibi çok katmanlı veziküller oluşturdular.

Araştırmacılar ayrıca, aminoasitlerin konsantrasyondaki değişiklikler sayesinde zarları dengelediğini keşfettiler. Bazı bilim insanları, ilk hücrelerin, su buharlaştıkça ve yeni su taşıdıkça yüksek ve düşük konsantrasyonlarda aminoasit döngülerinden geçen sığ havzalar içerisinde şekillenmiş olabileceğini varsaydılar.

RNA yapı taşlarının da benzer bir rol oynayabileceğini gösteren önceki çalışmaların yanı sıra, aminoasitlerin hücre zarlarını koruduğuna dair yeni bulgular, hücre zarlarının, bu öncül moleküllerin birlikte konumlanması için alan oluşturabileceğini gösteriyor ve yaşam için gerekli bileşenleri neyin bir araya getirdiğini anlatan potansiyel bir mekanizma sağlıyor.

SciTechDaily

Keller, Black ve ekibi, birlikte konumlanmış yapı taşlarının, işlevsel makineler oluşturmak için nasıl birbirlerine bağlandığı gibi daha dikkat çekici bir konuya dikkatlerini çevirdi. Black sonraki adımın bu olduğunu söylüyor.

Sürdürdükleri çaba aynı zamanda Washington Üniversitesi'ndeki disiplinler arasında bağlar kuruyor. Keller şunları söylüyor:

Washington Üniversitesi, barındırdığı bilimsel topluluğun, ekipman ve fikirleri departmanlar ve alanlar arasında paylaşmak üzere iş birliği yapmaya dair duyduğu coşku sayesinde keşif yapmak için olağanüstü iyi bir yer. Drobny Laboratuvarı ve Lee Laboratuvarı ile yaptığımız iş birliği gerekliydi. Hiçbir laboratuvar bunları tek başına yapamazdı.