Bütün Oksidoredüktaz Enzimlerinin Atası: Metabolizmanın Evrimini Mümkün Kılan, Enzimlerin Ortak Atasının Keşfine Adım Adım...

Rutgers Üniversitesi araştırmacıları, metabolizmadan sorumlu protein yapılarının kökenini keşfetti: Dünya'da erken yaşama güç veren ve NASA'nın diğer gezegenlerde yaşam aramak için kullanabileceği kimyasal sinyaller işlevini de gören basit moleküller! 3.5 ila 2.5 milyar yıl önce, ilk proteinlerin nasıl göründüğünü tahmin eden araştırmaları, PNAS dergisinde yayınlandı.

Bilim insanları, binlerce parçadan oluşan bir yapboz gibi, günümüzden uzak geçmişe, enzimlerin (proteinlerin) evriminin kökenine indiler. Yapbozun çözümü için iki eksik parça gerekliydi ve Dünya'da yaşam, onlarsız var olamazdı. Metabolizmadaki rollerine bağlı bir ağ kuran ekip, bu eksik parçaları keşfetti. Araştırmacılar, çalışmalarının önemini şöyle anlatıyorlar:

Yaşam, elektron taşıma sistemlerini kullanarak, termodinamik denge halinden çok uzak bir noktada enerji saçar. Bu elektron taşıma sistemleri, dış oksidan ve redüktanlar ile bir arada çalışır. Buna bağlı olarak, biyolojik elektron taşıması, oksidoredüktazlar olarak bilinen bir enzim süperailesi tarafından katalizlenir (hızlandırılır). Bu oksidoredüktazların kökeni henüz keşfedilememiştir. Protein topolojilerini ve modern oksidoredüktazların dizilerini kıyaslayarak, metabolizmanın en erken evrelerinde var olabilecek varsayılan ortak atayı çıkarsamayı başardık. Çoklanma, diğer proteinlerin sürece dahil olması ve çeşitlenme yoluyla, bu atasal protein, metabolizmanın çok erken evrelerinde elektron transferini ve redoks katalizini mümkün kılacak biçimde evrimleşmiş olabilir.

Hem yazarlardan biri olan, hem de Rutgers Robert Wood Johnson Tıp Fakültesi'nde Biyokimya ve Moleküler Biyoloji profesörlüğü, Gelişmiş Biyoteknoloji ve Tıp Merkezi'nde ise asistan öğretim üyeliği yapmakta olan Vikas Nanda şöyle diyor:

Gezegenimizde yaşamın nasıl başladığı hakkında çok az şey biliyoruz. Bu çalışma, zamanın derinliklerini görüp ilk metabolik proteinleri ileri sürmemizi sağladı. Dünya'da yaşamın kökenini anlamak ve yaşamın başka yerlerde de nasıl oluşabileceğini bildirmek için, tahminlerimiz laboratuvarda test edilecek. Laboratuvarda protein modelleri geliştirerek, ilk metabolizma için kritik reaksiyonları tetikleyip tetiklemeyeceklerini test ediyoruz.

PNAS

Rutgers liderliğindeki bilim insanlarından oluşan ENIGMA adlı ekip, araştırmayı NASA bağışları ve NASA Astrobiyoloji Programı üyeliği yoluyla yürütüyor. ENIGMA projesi, yaşamın en erken evrelerini katalize eden en basit proteinlerin rolünü ortaya çıkarmaya çalışıyor.

Makalenin baş yazarı, ENIGMA'nın sorumlu araştırmacısı ve Rutgers Üniversitesi'nin (New Brunswick) Çevresel Biyofizik ve Moleküler Ekoloji Laboratuvarı'nı yöneten seçkin profesörü Paul G. Falkowski, şöyle dedi:

Yaşamın çok küçük yapı taşlarından oluştuğunu ve zamanla, hücreler ve bizim gibi daha karmaşık organizmalar oluşturmak için, bir lego seti gibi belirdiğini tahmin ediyoruz. Yaşamın yapı taşlarını - hücrelerin, hayvanların ve bitkilerin evrimine yol açan lego setini bulduğumuzu düşünüyoruz.

Rutgers ekibi, ilk metabolizmanın ilk yapıları olmasının muhtemel olduğu, iki protein ''kıvrımına'' odaklandı. Bunlar, demir-sülfür bileşiklerini bağlayan ferredoxin kıvrımı, ve nükleotitleri (DNA ve RNA'nın yapıtaşlarını) bağlayan ''Rossmann'' kıvrımı. Bu protein kıvrımları yapbozun, yaşamın evrimine uyması gereken iki parçası.

Proteinler aminoasit zincirleridir ve uzayda bir zincirin üç boyutlu yoluna kıvrım denir. Ferredoxinler, modern proteinlerde bulunan metallerdir ve metabolizmayı desteklemek için hücrelerin etrafındaki elektronları taşırlar. Elektronlar, katı, sıvı, gaz ve canlı enerji sistemlerinden geçebilir ve yaşamın bulunma şansı olan diğer gezegen sistemlerinde de aynı elektriksel kuvvet mevcut olmalıdır.

Bu iki kıvrımın ortak ataya sahip olabileceği konusunda kanıt var ve eğer bu doğruysa, bu ortak ata yaşamın ilk metabolik enzimi olabilir.

Baş yazar, Çevresel Biyofizik ve Moleküler Ekoloji Laboratuvarı'nın eski bir doktora sonrası üyesi, Hagai Raanan. Rutgers yazarlarından diğerleri, doktora sonrası üyesi Saroj Poudel ve ENIGMA projesinde doktora öğrencisi olan Douglas H. Pike.