En Eski Ortak Atanın Hücre Zarına Dair Yapılan Modellemeler, Biyolojinin Temel Sorularına Işık Tutuyor!

Dünya’daki tüm yaşam tek bir ortak atadan, tek hücreli bir organizmadan evrimleşti; fakat bu canlının neye benzediği, nasıl yaşadığı veya günümüz hücrelere nasıl evrimleştiği University College London'daki araştırmacıların matematiksel modellemelerinin tamamlanmasına kadar dört milyar yıllık bir gizemdi. 

PLOS Biology’de yayımlanan bulguların gösterdiği Son Evrensel Ortak Ata (SEOA) olarak bilinen, yaşayan tüm canlıların ortak atası olan ilkin canlıların sızıntılı bir hücre zarı vardı. Bu bulgu, bilim insanlarının biyolojinin en büyük iki sorusunu cevaplamasına yardımcı oluyor:

1. Neden bütün hücreler enerji üretmek için aynı tuhaf ve karışık mekanizmayı kullanıyorlar?

2. Neden yaşam ağacının en dibindeki daldaki iki tek hücreli canlı grubunun –bakteriler ve arkeler – tamamen farklı hücre zarı yapısına sahiptir?

Hücre zarındaki bu sızıntılar, SEOA’nın hayati bileşenlerini bir arada tutmaya yararken aynı zamanda onun ortamdaki (büyük olasılıkla okyanus dibindeki delikler) enerjiden faydalanmasını sağladı.

Ekip hücre zarının nasıl değiştiğinin ve böylece SEOA’nın soyunun nasıl yeni ve daha zorlu ortamlara ayak uyduracak şekilde arke ve bakterilere evrimleştiğinin bir modelini oluşturdu. Bu yaşam ağacının en dip dalını oluşturdu.

Bakteriler ve arkeler genleri, proteinleri ve DNA okuma mekanizmaları bakımından o kadar ortak noktaya sahipler ki bilim insanları 1970’e kadar arkelerin bir çeşit bakteri olduğunu düşünüyordu. Arkelerin sınıflandırılması 1970’te bu ikisinin DNA kopyalama ve hücre zarı yapılarındaki büyük farklar keşfedildikten sonra değişti. Bakterilerin de arkelerin de SEOA’dan geldiğini bildikleri için bilim insanları SEOA’nın hücre zarının yapısını ve işlevini araştırmaya koyuldu. Araştırmayı yürüten Dr. Nick Lane (UCL Biyolojik Bilimler Bölümü) şöyle söylüyor: 

Bu çalışmayı büyüleyici buluyorum. Bu çalışma, günümüzdeki tüm yaşamın atası gibi gözüken garip hücreyi günümüz hücrelerine bağlayan aşamalardan geçiriyor. Basit bir fikirle bu model bakteri ve arkeler arasındaki temel farkları açıklamamızı sağlayabilir. Peki doğru mu? Ben doğru olduğunu düşünmek istiyorum. Ancak daha da önemlisi bu model ileride test etmeyi planladığımız net tahminler oluşturuyor.

Elde edilen veriler SEOA’nın denizin dibinde, proton bakımından zengin sularla proton bakımından fakir kaynak sularının karıştığı bölgede yaşadığını gösteriyor. Bu iki ortam arasındaki proton farkı sayesinde protonlar rahatça hücreye girebiliyordu ve adenozin trifosfat (ATP) sentezini çalıştırıyordu. ATP de hücrenin yaşamasını sağlıyordu. Tıpkı bugün de olduğu gibi.

Fakat bilim insanları günümüz hücrelerinin aksine bu durum ancak SEOA’nın hücre zarı “sızıntılı” olursa mümkün olabileceğini düşünüyor. Ancak bu şekilde protonlar hücreye başka protonların girmesi için dışarı çıkabilir. Dr. Lane şöyle diyor:

Derin sulardaki bu kaynaklardan sürekli olarak bazik sıvılar çıkıyor ve okyanus suyuyla karışıyor. Karıştıklarında birbirlerini nötrleştiriyorlar ve bu da yüklerin birikmesini engelliyor. Normalde böyle olunca protonlar hücreye giremez. Fakat sızıntılı bir hücre zarı protonların rahatça hücreye girebilir, içeride nötrleşebilir veya tekrar çıkabilir. Tıpkı arada hiç engel yokmuş gibi. Ortaya koyduğumuz sonuç da protonların girip çıkma hızında hücrenin yaşamını yürütmesine yetecek kadar enerji olduğu. Yani SEOA bu doğal proton akışı sayesinde yaşıyor olabilir. Ama ancak günümüz hücrelerinden farklı olarak sızıntılı bir hücre zarı varsa.

Bu sualtı kaynaklarından başka yerlerde yaşayabilmek için SEOA’nın hücre zarını protonları dışarı pompalayabilecek ve hücre içindeki ve dışındaki proton farkıyla da içeri girmeye çalışan protonlardan enerji elde edebilecek şekilde adapte etmesi gerekiyordu. Araştırmaya göre bakteriler ve arkeler tamamen farklı hücre zarı yapıları geliştirirken büyümek için kullandıkları mekanizmaları sabit tuttular. Bu aynı zamanda neden DNA kopyalama gibi hücre zarına bağlı olan temel özelliklerin bu iki canlıda farklı olduğunu açıklıyor. Çalışmanın baş yazarı Victor Sojo (UCL CoMPLEX/Biosciences) şöyle anlatıyor: 

Yoğunluk farkından yararlanma bütün yaşamda ortaktır fakat SEOA’nın nasıl bunu kullanmaya başladığı biraz yumurta-tavuk sorununu andırıyor. SEOA yoğunluk farkını kullanamazdı çünkü onu nasıl kullanacağını bilmiyordu. Aynı şekilde ilk başta yapmadan nasıl öğrenebilirdi ki? Protonların doğal yoğunluk farkını çözüm olarak sunuyoruz çünkü SEOA bunu kendi yapmak zorunda değildi; yoğun farkı orada kendiliğinden oluşuyordu. Çalışmamız günümüz “sızdırmayan” hücre zarının sonradan evrimleştiğini ve bakteri ve arkelerde bağımsız olarak gerçekleştiğini gösteriyor. Bu neden hücre zarı biyoenerji mekanizmalarının arkelerde ve bakterilerde evrenselken iyon pompalarının ve hücre zarlarının farklı olduğunu açıklıyor ki çok büyük bir gizemdi.

Sonraki projeleri için Dr. Lane ve takımı dört milyar yıl önce hayatın yapıtaşlarının oluştuğu sualtı kaynaklarındaki ortamı tekrar oluşturmayı düşünüyor.

Teşekkür: Bu yazıyı çeviren Doruk Pekşirin'e teşekkür ederiz.