Protein Mekanizmalarının Evrimi: Kendi Kendine Organizasyon, Moleküler Makinalar İnşa Edebiliyor!

Canlılığın cansızlıktan bir dizi kimyasal tepkime sonucu nasıl başladığı halen bir gizem konusu. Her ne kadar Dünya'nın ilkin koşullarında var olan kimyasalların neler olduğundan asla emin olamayabilecek olsak da, bugün var olan biyomolekülleri inceleyebilir ve 3 milyar yıl önce ne olduğunu tahmin edebiliriz.

Şimdi, bilim insanları, yaşamın nasıl başlamış olabileceğini göstermeye yönelik yeni bir biyomolekül seti denediler. Bugün yaşayan hücrelerdeki moleküler makinaların kendi başlarına pek iş yapmadıklarını gördüler. Ancak ne zaman ki bir çeşit zar oluşturabilen yağlı kimyasalları işin içine dahil ettiler, işte o zaman kimyasalların girdiği tepkimeler, yaşamın başlangıcı için gerekli olan, oldukça belirgin kimyasal tepkimelere oldukça yaklaştı.

Bu tür bir kendi kendine organizasyon gerçekten etkileyicidir ve bunun nasıl olduğunu anlamak, Dünya'da ve muhtemel olarak diğer gezegenlerde canlılığın nasıl başladığını anlamanın anahtarı olabilir.

1987 yılında verilen Nobel Kimya Ödülü, karmaşık moleküllerin çok hassas tepkimelere girebildiğinin gösterilmesine verilmişti. Bu moleküllerin davranışlarından birine "kendi kendine organizasyon" adını veriyoruz ve bu, kimyasalların üzerlerine etkiyen çok sayıda kuvvetin etkisiyle bir araya gelmeleri ve daha karmaşık işleri yapabilen moleküler makinalar üretebilmeleri anlamına geliyor. Her bir hücre, bu makinalarla doludur.

Roma Tre Üniversitesi'nden Pasquale Stano ve arkadaşları bu bilgiyi kullanarak yaşamın başlangıcını incelemeye çalıştılar. İşleri basitleştirmek adına, proteinleri üreten bir sistemi ele aldılar. Bu sistem DNA'yı da içeren 83 molekülden oluşmaktaydı ve yeşil florasan protein (YFP) adı verilen özel bir proteini üretmesi için programlanmıştı - ki bu sayede araştırmacılar konfokal mikroskop altında ürünleri görebilmekteydiler.

Bu sistem yalnızca, eğer molekülleri birbirleriyle etkileşebilecek kadar birbirlerine yakınsa üretim yapabilmektedir. Sistem su ile seyreltilecek olursa, tepkime de gerçekleşmez. Günümüzdeki hücrelerin içlerinin çok kalabalık, konsantre plakalardan oluşmasının bir nedeni de budur: yaşamın kimyasının çalışmayı sürdürebilmesi...

Bu moleküler kalabalığı yeniden yaratabilmek için Steno POPC adı verilen bir kimyasalı sisteme katmıştır ve bu sayede sistemi seyreltmiştir. POPC gibi yağlı moleküller su ile karışmazlar ve su içerisine kondukları zaman otomatik olarak lipozomlar adı verilen yapıları oluştururlar. Lipozomların günümüzdeki yaşayan canlıların hücre zarlarına çok benzer bir yapısı vardır ve genellikle hücrelerin evrimini incelemek için kullanılırlar.

Stano, Angewandte Chemie isimli dergide yayınladığı makalesinde bu lipozomların birçoğu, bazı molekülleri içinde hapsederek yeni sistemler oluşturmalarını sağlamaktadır. Fakat ilginç bir şekilde, bu şekildeki her 1.000 lipozomdan 5 tanesinde bir proteini üretmek için gereken 83 molekülün tamamının bulunduğunu gördüler. Bu lipozomlarda çok miktarda YFP üretildi ve mikroskop altında yeşil bir şekilde parlamışlardır.

Bilgisayarla yapılan hesaplamalar, bu 1000 lipozomdan 5 tanesinin 83 molekülü birden hapsetmesinin imkansız olduğunu göstermektedir. Hatta tek bir lipozomun bu 83 molekülü birden hapsetmesi olasılığı bile basitçe, sıfırdır. Ancak lipozomların bu molekülleri hapsederek YFP üretebilecek proteinlerin oluşabildiği gerçeği, oldukça sıra dışı bir olayın meydana geldiğini göstermektedir.

Stano ve arkadaşları bunun neden olabildiğini henüz çözebilmiş değiller. Sebebi, elimizdeki istatistiki sistemlerin bu rastgele süreci tam olarak modelleyememesi olabilir ve daha iyi bir modelle bu süreç daha gerçekçi olarak hesaplanabilir. Bir diğer neden, bu tür bir kendi kendine organizasyonu başarabilen moleküllerin oldukça evrimleşmiş olmaları ve bu sebeple bu süreci gerçekleştirebilmeleri olabilir. Bir sonraki önemli adım, benzer ama daha az karmaşık olan sistemlerin de bu özelliği tekrar edip edemeyeceğini göstermektir.

Sınırlandırmalardan bağımsız olarak Stano'nun deneyi, hücrelerdeki moleküler mekanizmaların oluşmasını sağlayan kendi kendine organizasyonun kaçınılmaz ve mutlaka gerçekleşen bir fiziksel süreç olduğunu ilk defa gösteren bir deney olmasıdır. Kendi kendine organizasyonun nasıl gerçekleştiğini anlamak, yaşamın cansızlıktan nasıl başladığını anlamak yolundaki en büyük adımı atmamızı sağlayacak olabilir.