Biyolojinin Geleceği Olan Tahminsel Modeller: Faz Ayrışması ve "Lav Lambası" Proteinleri, Hücreleri Ölümsüz Kılabilir!

Gerçekten karışmayan; ancak belirli şartlar altında, lav lambasında hareket eden damlalar gibi kümelenen ve ayrılan farklı özelliklere sahip sıvıları düşünün. Sıvı-sıvı faz ayrılması olarak da bilinen bu fenomen, bir zamanlar sadece kimyasal bir işlem olarak kabul ediliyordu. Ancak on yıldan daha kısa bir süre önce, Princeton Üniversitesi'nde biyofizikçi olan Clifford Brangwynne bunun hücrelerde de olduğunu ilk gözlemleyen kişilerden biri oldu ve o zamandan beri biyologlar bu fenomeni öğrenmeye çalışıyorlar.

Slowave

Bilim insanları, evrimin belirli proteinleri aggregat benzeri sıvılar gibi davranması için ayarladığını düşünmeye başladılar. Bu proteinler, faz ayrımı sayesinde kendilerini spontane bir şekilde hücrelerinde gerekli görevleri yerine getirebilecek dinamik, zarsız, damlacık benzeri yapılara dönüştürebiliyorlar. Dresden, Almanya'da Max Planck Institue of Molecular Cell Biology and Genetics (MPICBG)'de biyolog olan Simon Alberti şöyle diyor:

Her nasılsa, hiç kimse bu tür yetenekleri olan moleküllerin işlevselliklerini sağlamak veya işlevlerini düzenlemek için evrimden faydalanabileceğini düşünmüyordu.

Max Planck Institue for the Physics of Complex Systems'de biyofizikçi olan Vasily Zaburdaev ise şöyle diyor:

Bu buluş hücresel organizasyon ve fonksiyon anlayışımız için büyük etkilere sahiptir.

Son bulgulardan biri faz ayrılmasının, belirli hücrelerin besinden mahrum kaldıklarında veya başka türlü strese maruz bırakıldıklarında ölümü atlatmalarını sağlamasıdır. Faz ayrılması, hücrelerin sitoplazmalarının büyük bir bölümünün sıvıdan katıya dönüşmesini sağlar - temelde, besin maddeleri geri dönene kadar hücreler kendilerini sert bir denge durumuna sokarlar.

Zarsız Organeller

On dokuzuncu yüzyıl hücre biyologları organel terimini (Latince "küçük organ") hücrelerin içinde gördükleri minik bileşenleri tanımlamak için oluşturdular. O zaman bile, Amerikalı hücre biyoloğu Edmund Beecher Wilson gibi alandaki öncüler, jöle benzeri sitoplazma dolu hücrelerin "farklı kimyasal yapıdaki asılı damlalar gibi" çeşitli sıvıları içerebileceğinden şüpheleniyorlardı. Bununla birlikte, bu ilk bakış açısı, neredeyse bir yüzyıl boyunca biyolojide çok az değer gördü: Araştırmacılar, basitçe damlacık şeklindeki herhangi bir hücresel organelin, içeriğinin sitoplazma ile karışmasını önlemek için kapsülleyici bir lipid zara sahip olması gerektiğini varsayıyorlardı.

Buna rağmen; Irvine, California Üniversitesi'nden L. Dennis Smith ve National Institue of Environmental Health Sciences'dan Edward Mitchell Eddy, 1960 ve 1970'lerin başlarında bazı organellerin membrana sahip olmadığını elektron mikroskobuyla gösterdiler. Zaman içinde, hücre çekirdeğindeki yoğun bir yapı olan nükleol gibi membransız yapılar bulunmaya devam etmiştir. Yine de 2009'a kadar nasıl ve neden oluştukları belli değildi.

O yıl, Brangwynne MPICBG'de genç bir doktora sonrası öğrencisi iken o, meslektaşı Christian Eckmann ve akademik danışmanı Tony Hyman beklenmeyen bir şey gördüler: Yuvarlak solucan Caenorhabditis elegans'ın hücrelerinin içindeki P granülleri denilen düzensiz ve tutarsız organel dağılımına bakıyorlardı. P granüllerinin, yoğun RNA ve protein topakları olduğu yaygın olarak kabul ediliyordu. Ancak Brangwynne, Eckmann ve Hyman, granüllerin katı bir yapıda olmadığını gördüler. Bunun yerine, iyi çalkalanmış bir sirkedeki yağ gibi daha büyük damlalar oluşturmak için bir araya gelen sıvı damlaları gibi görünüyorlardı.

Science

Brangwynne şöyle diyor:

Bu keşif şans eseri oldu. Sıvı olduklarını keşfettiğimizde, aldığımız birçok kantitatif ölçümler mükemmel bir şekilde mantıklı hale geldi.

Bu keşif ayrıca biyologların hücrelerin nasıl çalıştığı hakkındaki anlayışlarını değiştirdi. Brangwynne, Eckmann ve Hyman tarafından yapılan bu ön çalışmalar, çeşitli sitoplazmik proteinlerin farklı şartlar altında nasıl birleşip dağıldığını araştıran birçok akademik çalışmayı tetikledi. Bu araştırmaların sonuçları, hücrelerin kendi iç yapılarını faz ayrımını kullanarak organize etmek için hassas bir şekilde ayarlanmış mekanizmalar ve süreçler evrimleştirdiklerini giderek kanıtlamaya başladı. Yani hücreler, proteinlerinin spesifik görevlere sahip yapılara kendiliğinden birleşmesine izin veriyorlardı.

Yapısal biyolog ve Dallas'ta yer alan University of Texas Southwestern Medical Center'da biyofizik departmanının başkanı olan Michael Rosen, laboratuvarda damlacıklar halinde birleşebilecek belirli proteinler ve RNA molekülleriyle bu tip bir faz ayrımını üreten ilk kişi oldu. Faz ayrışması, koşullar doğru olduğu müddetçe proteinlerin hizalanması ve tekrar ayrışması için tersinebilir bir yol sağlıyordu.

Bununla birlikte, bazı durumlarda, araştırmacılar sürecin geri dönüşümlü olmadığını - ve bu başarısızlığın nörodejeneratif hastalıklar ve kanser de dahil olmak üzere geniş bir hastalık yelpazesiyle ilişkili proteinlerin bir işlevini temsil ettiğini keşfettiler. Örneğin, Zaburdaev, bazı hastalıklarla ilişkili bir proteinin birkaç mutant fomunun anormal faz ayrılma davranışı gösterdiğini gözlemledi. Şöyle diyor:

Düzgün damlalar oluşturmak yerine çok garip kirpi benzeri yapılar oluşturuyorlar.

Hayatta Kalmak İçin Katılaşma

Zaburdaev ve Alberti de dahil olmak üzere çalışma arkadaşlarından bazıları, hücrelerde sıcaklığın düşürülmesi ve besinlerin kesilmesi gibi stres durumlarında proteinlere ne olduğunu araştırmaya karar verdiler. Ortaya çıkardıkları şaşırtıcı sonuç, faz ayrılmasının bir hücrenin hayatta kalma mekanizmasının bir parçası olabileceği idi.

Science Direct

Hücrelerin davranışı ayıların kış uykusuna benzetilebilir. Hayvan, haftalarca uykuda kalır ve enerji tüketimini minimuma indirir. Hücresel düzeyde ise faz ayrılması jelatinimsi sitoplazmanın daha katı, koruyucu bir duruma geçiş yapmasına yardımcı olur. Zaburdaev şöyle diyor:

Bu 'katılaşmış' durumda bir hücre açlıktan kurtulabilir.

Araştırmacılar bu olguyu maya ve amipleri besinden mahrum bırakarak çalıştılar. Besin yoksa, enerji yok demektir ve maya hücrelerinin, biyokimyaları için gerekli olan nötr pH değerini korumak amacıyla protonlarını sitoplazmalarından pompalamaları gerekir, bunun için de enerjiye ihtiyaç duyarlar. Zaburdaev, "Hücreler açlıkta asidikleştiler." diyor. Daha asidik koşullar altında, proteinler çözünmüş bir durumdan daha yoğun ve katı olan bir hale dönüştüler ve iyi karışmış sitoplazma, jelatinimsi kabarcık kümelerine ayrıldı.

Bilim insanları, basitçe hücrelerin ortamının asitliğini değiştirerek, hücreleri besinsiz bırakmadan bile bu hayatta kalma durumuna geçmelerini sağlayabiliyorlar. Hücreler saatlerce hatta günlerce bu şekilde dinlenebilir. Alberti şöyle diyor:

Hücrelerin şekillerini koruyacak kadar sert olduklarını gördük. Tamamen farklı bir maddesel duruma geçiyorlar.

pH normale döndürüldüğünde hücrenin de normal haline döndüğü gözlemlendi.

Bilim insanları mayayı ozmoz yoluyla tamamen dehidre ederek de faz ayrımı ve katılaşmayı tetikleyebileceklerini buldular. Bununla birlikte, farklı stres tiplerinin (Ozmoz, asidikleştirme), farklı katı halleri indüklediği gözlemlenmiş. Alberti, bunun mekanizmasının "henüz anlamadığımız bir şey" olduğunu söylüyor.

Bu durumun kış uykusu ile karşılaştırılması ise mecazdan fazlası olabilir. Alberti şöyle anlatıyor:

Kış uykusundanki memelilerin hücreleri de katılaşabilir. Bu tür çevresel değişimlerle başa çıkmak için mükemmel bir yol çünkü katılaşma için gereken enerji sıcaklık değişimi veya pH'daki düşüşten çıkıyor. Ancak, faz ayrılmasının söz konusu olduğu hipotezin hala test edilmesi gerekiyor.

Metabolik Kontrol İçin İmmobilizasyon

Bir süredir Alberti'nin takımı faz ayrım tepkisini daha yakından incelemek için hücrelerin moleküler düzeyde strese verdikleri sitoplazmik protein tepkilerini araştırmaktadır. Özellikle odaklandıkları şey, bu sürecin hücresel metabolizma üzerindeki kontrolü. Alberti, bir şeyi kapatmanın en iyi yolunun, maddenin tekrar ihtiyaç duyulana kadar geri dönüşümlü bir şekilde hareketsiz hale getirilebileceği katı bir malzemeye konulması olduğunu söylüyor:

Bu, molekülleri hasardan korumanın ve aynı zamanda onları kapatmak ve daha sonra kullanmak üzere saklamanın bir yoludur.

Ekip, bir proteinin belirli bir tanımlanabilir alana veya bölgeye sahip olması durumunda, kolayca geri dönüşümlü jeller oluşturabileceğini buldu. Bu alanın yokluğunda, proteinin geri dönüşümsüz bir şekilde katılaştığı ve tekrar kullanılamaz hale geldiği gözlemlendi. Alberti şöyle diyor:

Bu alan, proteinin iyi bir jel türünde birleşmesi ve geri dönüştürülemez bir şey olmaması için yeni bir imkan sunuyor.

Bir test tüğü deneyinde, araştırmacılar tek bir tip protein çözeltisini alarak pH değerini düşürdüler. Bunu yaptıklarında, protein fazının solüsyondan ayrıştığını ve jel benzeri öbekler oluşturduğunu gördüler. Sonrasında pH değerini eski ve nötral haline getirdiler ve bu jel çözünerek, onların deyimiyle "tam da hücrelerde gördüğümüz şekline" dönüştü. MDI Biological Laboratory'de biyolog olan Dustin Updike şöyle diyor:

Bu sonuçlar, doğanın proteinlerin yapı özelliklerini ayarlamak için etki alanı sekansları tasarladığını göstermektedir. Bu çok faydalıdır çünkü hücrelere 'ısı şoku, pH veya ozmotik stres gibi ani streslere cevap verme mekanizması' verir.

Hücrelerdeki düzenleyici mekanizmalar genellikle genetik seviyede çalışır; bu da mekanizmaların çekirdeğe ulaşan, gen transkripsiyonunu ve uygun bir enzim üretimini başlatan sinyallere bağlı olduklarını gösterir. Ancak bu olaylar zaman alır. Buna karşılık faz ayrılmaları çok hızlıdır ve strese neredeyse anında yanıt verebilir.

Tüm Bunlar Neden Önemli?

Hücrelerdeki faz ayrılmasının kesin mekanizmasını ve etkilerini anlamak, Zaburdaev'e göre organların korunması ve yaşlanma araştırmalarından uzay yolculuğuna kadar tüm biyolojik zorluklarla ilişkili olabilir.

Örneğin son zamanlarda, Yale Üniversitesi'nden nörobilimci Pietro De Camilli ve meslektaşları, sinapslarda nörotransmiterlerin kontrollü salınımında faz ayrılmasının olabileceğine dair kanıtlar buldu. Nörotransmiter içeren veziküllerin rutin olarak presinaptik membranın yakınındaki kümelerde ihtiyaç duyulana kadar beklediği görülmüştür. De Camilli'nin ekibi, Sinapsin 1 adı verilen bir iskelet proteininin vezikülleri bu kümelere bağlamak için diğer proteinlerle birlikte sıvı bir fazda yoğunlaştığını gösterdi. Sinapsin fosforile edildiğinde, damlacık hızla dağılır ve veziküller, nörotransmiterleri sinaps içine boşaltmaları için serbest bırakılır.

Agora Bilim Pazarı

Yaşamın Kodu : Jennifer Doudna, Genetik Devrim ve İnsanın Geleceği

Biyolojide bir devrim yaşanıyor. Olağanüstü bir teknoloji artık hastalıkları daha kolay tedavi etmemizi, virüsleri yok etmemizi ve daha sağlıklı bebeklerin doğmasını sağlayacak. Devrimin kalbinde ise 2020’de Nobel’e layık görülen Jennifer Doudna ile arkadaşları var.

Isaacson’un yeni kitabının kahramanları onlar.
Lisede rehber öğretmeni ona kızların bilim yapamayacağını söylese de Jennifer Doudna’nın yaşamın gizli mekanizmalarını keşfetme tutkusu, DNA çift sarmalının keşfinden beri biyolojideki en önemli ilerlemeyi sağladı. Doudna, doğanın işleyişinde fark ettiği bir ilginçliği insanlığın gidişatını değiştirecek bir buluşa çevirdi. DNA’mızı kolayca düzenlememizi sağlayacak CRISPR teknolojisi, tıbbi mucizelerle –ama bir yandan da ahlaki sorularla– dolu bir “cesur yeni dünyanın” kapılarını açtı. Geçtiğimiz elli yılda dijital devrimi yaşadık, şimdiyse yaşam biliminin devrimi başlıyor. Yakında dijital kodlama öğrenen çocukların yanına genetik kod öğrenenler katılacak.
Peki bu yeni üstünlüğümüzü virüslere karşı güçlenmek için kullanmalı mıyız? Ya da depresyonu engellemek için? Sadece parası yeten ailelerin, çocuklarının bünyesini ve zekâsını güçlendirebileceği bir dünyayı kabul ediyor muyuz? CRISPR teknolojisinin keşfine liderlik eden Doudna, şimdi bu etik tartışmaların merkezinde duruyor.
Doudna’nın hayat öyküsü, doğanın en derin mucizeleri arasında dolanıp, yaşamın kaynağından türümüzün geleceğine dek uzanan, büyüleyici bir macera.
   
Yılın En İyi Kitapları Seçkisinde
GOODREADS • TIME • WASHINGTON POST • AMAZON • BLOOMBERG
“Bu yılki ödül, yaşamın kodlarını yeniden yazma üzerine. Yaşam bilimlerinde yeni bir çağ başlattılar.”2020 Nobel Kimya Ödülü komitesi açıklaması
“Yaşamın Kodu, büyüleyici bir dedektif hikâyesi. Hırs ve düşmanlıklarla, laboratuvarlar ve konferanslarla, Nobel Ödülleri ve aykırılıklarla dolu.”O MAGAZINE

Devamını Göster

₺220.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Quanta Magazine

Yine de bu araştırmalar hala erken günlerinde. Brangwynne ve meslektaşları, on yıl önce makaleleini yayınladıklarında, biyologlar bu yepyeni araştırma yönü hakkında olumlu ve olumsuz düşüncelere kapıldılar. Updike'ın belirttiği gibi, hücre biyologlarının, protein aggregasyonu fenomeni hakkında düşünmekten, tanımlanması için akışkan dinamiği gerektiren sıvı faz ayrılmasına geçmeleri zor olabilir. Updike şöyle diyor:

Bana göre, Cliff'in çalışması P granüllerinin doğasını ve gördüklerimizi daha iyi tanımlayan çok büyük bir ilerlemeydi. Bir granülü saflaştırabilirsiniz, ancak daha çok bit yağ damlasına benzeyen bir şeyi saflaştırmak çok daha zor bir iştir.

Giderek artan sayıda akademik makale faz ayrımının hücresel bir mekanizma olduğu kavramını desteklediği için, Updike ve Brangwynne'e göre bu alandaki şüphecilerin sayısı giderek azalıyor. Ancak yine de bazı soru işaretleri var. Alberti ise şöyle diyor:

Eleştirilerden biri, bazı insanların her proteinin bunu yapabileceğini söylemeleridir. Bilimde, proteinlerin çeşitli şartlar altında konsantre hale getirilmesinin bazen katılaşmalarına veya sıvılaşmalarına neden olabileceği yaygın bir bilgidir. Fakat bunun aslında hücreler tarafından kullanılabileceği, evrimin bu biyomolekül kabiliyetinden metabolizmayı yavaşlatmak gibi işlevsel bir değişim elde etmek için yararlanabileceği fikri yoktu.

Alman Nörodejeneratif Hastalıklar Merkezi'nde (DZNE) biyolog Susan Wegmann şöyle diyor:

Şu ana kadar proteinlerde faz ayrımının yaşayan çok hücreli organizmalarda gerçekten yaşandığı gösterilemedi. Dolayısıyla, hücrelerdeki faz ayrımının sinirbilim ve diğer alanlardaki karmaşık problemlerle ilişkisi belirsizdir. Biz ve diğerleri bu bağlantıyı kurmaya çalışıyoruz; ancak tabii ki bu hem zor, hem de teknik olarak aşılması güç problemlerle dolu bir iş. Eğer protein yoğunlaşmasının nörodejenerasyon gibi insan hastalıklarıyla ilişkisi olduğu ortaya konursa, buna spesifik bir şekilde müdahale etmenin yollarını aramamız gerekecek.

Harvard Tıp Fakültesi'nde sistem biyologu olan Tim Mitchison, faz ayrımının biyolojide genel bir konsept olarak önemli olduğu konusunda kuşkucu. Şöyle diyor:

Hücre sitoplazmasındaki faz ayrımına yönelik, stres granülleri gibi birkaç çok spesifik örnek haricinde pek bir kanıt göremedim.

Bu konsept, hücre biyolojisi haricinde pek ilgi görmüyor gibi. Birçok araştırmacı faz ayrımını ya hiç duymamış ya da araştırmaları görmezden geliyor. Mitchison şöyle diyor:

Belki de daha fazla fonksiyonel kanıt görmeyi bekliyorlardır. Doğru miktarda çözücü ile hemen hemen tüm proteinlerin veya RNA'nın faz ayrımının sağlanması mümkündür. Ama bunun fizyolojik olarak ne kadar önemli ve alakalı olduğu net değil. Faz ayrımının önemli olduğuna ikna olmuş haldeyim; belki de RNA-protein biyolojisinde bir rolü vardır. Ama bunun ne kadar genel olduğu konusunda pek emin değilim.

Brangwynne bu konudaki endişelerden rahatsız değil.

Bazı şüpheciler, tüm bunların hücre fonksiyonları veya fonksiyon bozuklukları için ne anlama geldiğiyle ilgili çok yerinde ve doğru sorular soruyor. Bunlar gerçekten de pek iyi anlaşılmış değil. Bazı diğerleri ise geleceği tahmin etmemizi sağlayan nicel modellerin mümkün olduğu fikrine ısınmaya çalıştığını düşünüyorum. Bu, biyolojinin geleceğidir.