2018 Nobel Kimya Ödülü, Evrimin Kimya Alanındaki Uygulamalarına Verildi!

2018 Nobel Kimya Ödülü kazananları 3 Ekim 2018'de açıklandı: ABD'nin Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nden kimya mühendisi Frances H. Arnold ödülün %50'sine, ABD'nin Missouri Üniversitesi'nden biyolog George P. Smith ile İngiltere'nin M.R.C. Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'ndan biyokimyager Sir Gregory P. Winter ise ödülün geri kalan %50'sini yarı yarıya paylaşmaya layık görüldü. Her üç akademisyen de, doğadaki evrim yasasını ve evrimsel biyolojinin teorik temellerini kendi alanlarına uygulayıp, bilimde çığır açtıkları için bu ödüllere layık görüldü. Nobel Komitesi'nde bulunan Claes Gustafsson, bunu şöyle izah ediyor:

Bu araştırmacıların yaptığı, evrimi kullanarak bir devrim yaratmak oldu.

Üç akademisyenin evrimi kullanarak geliştirdikleri ürünler arasında yeni ilaçlar, kimyasalların üretimini daha verimli ve daha az toksik kılan tepkimeler ve son olarak, benzin, gaz ve kömürün yerini alma potansiyeli olan bitki-temelli yakıtlar bulunuyor.

Ödülün yarısını alan Dr. Arnold, bir Nobel Kimya Ödülü almayı başaran beşinci kadın, son 50 yıldaki ikinci kadın ve 2009 yılından beri ilk kadın olmayı da başardı. Nobel Kimya Ödülü, bugüne kadar 168 kişiye verildi.

Bu senenin ödülü, biyoloji ile kimyanın bazı alanları arasındaki sınırları ortadan kaldıran, interdisipliner evrim araştırmalarının ve evrimsel biyoloji uygulamalarının önemini vurgulamak adına verildi. Dr. Arnold, bu başarısını şöyle izah ediyor:

Ben hep bir protein mühendisi olmak istemişimdir. Biyolojik dünyanın mühendisi olmak istiyordum. Uzun yıllar boyunca "rasyonel (mantıklı) tasarım" dediğimiz bir yönteme başvurduk. Mantık ve bilgimizi kullanarak yeni enzimler, yani kimyasal tepkimeleri hızlandıran proteinler yaratmaya çalıştık. Ancak enzimler çok sayıda aminoasitten oluşan, karmaşık moleküllerdir ve ufak değişimlerin protein fonksiyonunda ne gibi değişime sebep olacağını öngörmek zordur. Bu nedenle evrime başvurmak zorunda kaldık. Doğanın ürettiklerini kopyalamaya çalıştık ve evrim adını verdiğimiz bu harika sürece döndük. Evrim sayesinde molekülleri, tıpkı kedileri veya köpekleri yaptığımız gibi evrimleştirmek mümkün!

Yönlendirilmiş Evrim: Bilinçsiz Evrime İnsan Bilinci Katmak...

Buna evrimsel biyolojide ve biyokimyada yönlendirilmiş evrim adı veriliyor. Doğada evrim, hiçbir dış bilince veya akla ihtiyaç olmaksızın, tamamen doğal süreçlerle yaşanmaktadır. Popülasyon içinde durmaksızın rastgele çeşitlilik var olur; ancak bunlardan sadece bir kısmı bulunulan ve durmaksızın değişen çevre ile uyumludur. Bunlar arasından en uyumlu kombinasyonlar hayatta kalır ve daha çok ürer, dolayısıyla kendilerini avantajlı kılan kopyalardan daha çok yaratırlar. Daha uyumsuz olanlarsa elenirler ve pek fazla üreyemezler - böylece onlarla birlikte, kendilerine benzer kopyaları da üretilemeyerek yok olmuş olur. Böylece popülasyon, her bir üreme döngüsünde (nesilde) biraz daha çevreye uyumlu hale gelir.

Yönlendirilmiş evrimde ise bir dış bilinç vardır: insan. Bunun biyolojideki uygulamalarına Yapay Seçilim demekteyiz. Bir evrim mekanizması olan Yapay Seçilim'de, insan gibi zeki veya çevresine daha hakim bir tür, diğer bir türün bireylerini belli özelliklerine göre seçer, diğerlerini ise eler. Böylelikle doğada kısmen daha yavaş olan Doğal Seçilim'in görevini bu bilinç üstlenmiş olur. Bu bilinçli seçilim sayesinde, kısa sürede türlerde ciddi değişimler yaratmak mümkün olur. Öyle ki, evcilleştirilmiş hayvanların (köpekler, koyunlar, keçiler, inekler, vb.) tamamı ile ziraat ürünü kültür bitkilerinin (brokoli, lahana, mısır, şeftali, karpuz, vb.) tümü Yapay Seçilim yoluyla evrimleştirilmiş canlılardan ibarettir.

Aynı süreci moleküler düzeyde de tekrar etmek mümkündür. Çok çeşitte molekülden, en çok arzulanan özelliklere sahip olanları seçip, onların daha çok kopyasını üretip, diğerlerini eleyecek olursanız, yönlendirilmiş evrim uygulamış olursunuz. Doğada kimyasallar kimyasal evrim denen bir süreç ile zaman içinde değişmekte, farklılaşmakta, gelişmektedir. Bu, yavaş ve sancılı bir süreç olsa da, günümüzden 4 milyar yıl kadar önce, yaklaşık 600 milyon yıl süren bir deneme-yanılma ve moleküler seçilim süreci sonucunda, cansız moleküllerden canlı yapıların evrimleşmesini mümkün kılmıştır. Şimdi, insan bilinci ve mühendisliği sayesinde, doğada yüz milyonlarca yılda meydana gelen değişimleri, çok daha kısa sürede ve çok daha kontrollü bir şekilde yapmamız mümkün. İşte 2018 Nobel Kimya Ödülü'nün vurguladığı araştırmalar da, tam bu alandaki çalışmalar.

Evrim, İnsan Mühendisliğinden Kat Kat Verimli!

Dr. Arnold'un ta 1990'lı yıllara uzanan kimyasal evrim araştırmalarında, sadece 3 nesil boyu sürdürülen yönlendirilmiş evrim sonucunda, ilk nesildekinden tam 256 kat daha verimli moleküllerin evrimleşebileceğini göstermişti.

Bu araştırmaların üzerine, Hollandalı araştırmacı Dr. Willem P. C. Stemmer, bu kat kat verimli molekülleri çok daha geniş bir çeşitlilikte ve çok daha hızlı bir şekilde üretmenin yollarını geliştirdi. DNA Karması adı verilen bu yöntemde, bir genin farklı versiyonları kesilip, yeni bir varyant (çeşit) oluşturacak şekilde birleştirilmekteydi. Bu, iki hayvanın yavru üretirken genlerinin birbirine karışması gibi düşünülebilir. Ancak yapılan, moleküller arası karışmayı mümkün kılıyordu. Stemmer, eğer 2013 yılında hayatını kaybetmemiş olsaydı, 2018 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülecekti.

Ancak bu yöntem, öyle kolay kabul görmedi. 90'lı yıllarda araştırmacılar, yeni enzimler üretmenin tek yönteminin akıl, mantık ve hesap kitap yoluyla olması gerektiğine inanıyordu. Bilgisayar başında oturup enzim tasarlamıyorsanız, alana katkı sunmuyorsunuz demekti. Dr. Arnold, doğadaki evrim yasasını kullanarak yeni enzimler yaratabileceğini söylediğinde ona pek aldırış eden olmadı. Şöyle söylüyor:

O zamanlar bu yöntem, yerleşik kültüre karşıydı. 25 yıl önce olsa, bu yaptığımı çılgınca ve uç bir fikir olarak görürlerdi. Bilim insanları böyle bir yönteme başvurmazdı. Centilmenler de aynı şekilde. Ama ben bir mühendisim ve bir centilmen değilim, dolayısıyla bu kültürle herhangi bir sorunum olmadı. Gerçekten de şimdi, yönlendirilmiş evrimi kullanmak, yeni enzimler üretmenin ana yöntemi.

Manchester Üniversitesi'nden organik kimyager Nicholas Turner, bu görüşe tamamen katılıyor:

Günümüzde ticari olarak kullanılan enzimlerin neredeyse hepsi, bir çeşit yönlendirilmiş evrim sürecinin ürünüdür.

Nobel Komitesi'nde bulunan Sara Snogerup Linse ise şöyle diyor:

Dr. Arnold'un çalışmaları sayesinde artık tepkimeleri hızlandırmamız ve toksik kimyasallardan kurtulmamız mümkün!

Evde Deterjan Kullanıyorsanız, Evrim Araştırmalarına Teşekkür Edin!

2018 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülen araştırmacıların kimyasal evrim çalışmaları sırasında evrimleştirdikleri moleküller, çamaşır deterjanları içindeki leke çıkarıcı enzimlerin ve biyoyakıtların geliştirilmesini mümkün kıldı.

Ölümcül Hastalıklarla Mücadele Etmek İçin Evrimi Kullanmak Şart!

Ayrıca 2018 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görülen diğer iki isim olan Dr. Smith ve Dr. Winter ise, bakterileri enfekte eden virüslerin ("bakteriyofajların") kullanılması yoluyla geliştirdikleri ilaçlar nedeniyle ödüle layık görüldüler. Bu ilaçlar, MS ve kanser gibi çok sayıda hastalığa yönelik yeni tedavinin önünü açabilir.

Bu ikili de, araştırmalarında evrimin temel prensiplerini kullandılar. Dr. Smith'in araştırması, 1980'li yıllara dayanıyor. Faj Görüntüleme adını verdikleri bir yöntem için bakteriyofajları kullandılar. Bu yöntemde bakteriyofajların dış kısımlarını kaplayan proteinler, belirli genlerin ürettikleri proteinlere karşılık gelecek şekilde düzenlenmektedir. Daha sonra, son derece spesifik hedeflere bağlanan antikorlar kullanılarak bu virüsler adeta "avlanır"; böylece araştırıcının ilgisini çeken özellikteki proteinleri taşıyan bakteriyofajlar tespit edilebilir. Böylece bir "seçilim baskısı" yaratılmış olur. Bu seçilen proteinlere karşılık gelen genler, yeniden bakteriyofajlara eklenir ve tekrardan seçilime tabi tutulur. Böylece, evrim kullanılarak, nesiller içinde giderek daha özelleşmiş proteinler elde edilebilir. Bu, tasarım illüzyonu yaratıyor olsa da (yani akıllı bir bilinç tarafından tasarlanmış gibi gözüken proteinlere erişilmesini sağlıyor olsa da), aslında tamamen doğal bir sürecin belirli özelliklere göre yönlendirilmesinin bir ürünüdür. Doğada bu görevi, doğanın öngörülemez şekilde süregelen değişimleri ve bu değişimlerden doğan seçilim baskıları yapar. Laboratuvarda ise bu yönlendirmeyi yapan insandır.

Dr. Winter ise, Dr. Smith'in araştırmasını ters yüz ederek yeni bir yaklaşım geliştirmiştir. Bakteriyofajların genlerine antikorlara ait genleri eklemiştir. Daha sonra bu bakteriyofajların dış kaplamalarındaki antikorları üretmesini sağlamıştır. Sonrasında ise ufak bir molekülü kullanarak istediği özellikteki proteinleri seçme işlemini yapmıştır. Bu yöntem sayesinde çok kısa sürede çok fazla sayı ve çeşitte antikor üretmek mümkün olmuştur. Dr. Winter şöyle diyor:

Bu yöntem sayesinde artık çok daha yüksek verimliliğe ve çok daha az yan etkiye sahip antikor ilaçlar üretebiliyoruz. Günümüzde en çok satılan 15 ilaçtan 11 tanesi bu yöntem sayesinde geliştirilmiştir!

Bu öylesine güçlü bir teknikti ki, 1990'larda ilk geliştirildiğinde, hiçbir ilaç firması böyle bir yönteme sahip değildi. Evrimin gücü sayesinde geliştirilen bu tekniği Dr. Winter şöyle anlatıyor:

90'lı yıllarda antikorların tedavide kullanılabileceğine kimse inanmıyordu. Bizim yöntemimizle geliştirilen ilk ilaç olan "adalimumab", Humira adı altında satıldı ve 2002'de onaylandıktan sonra rümatoid artirit, sedef hastalığı, inflamatuvar bağırsak hastalığı gibi birçok hastalığın tedavisinde kullanıldı. Ürettiğimiz diğer antikorlar ise kanser hücrelerini öldürebiliyor, şarbonu etkisiz hale getirebiliyor, lupusun ilerlemesini yavaşlatabiliyor. Hatta bazı diğerleri Alzheimer gibi hastalıkların tedavisinde bile kullanılabilir!

Bu, Evrim Araştırmalarının İlk Nobel Ödülü Değil!

Evrimsel biyoloji ve uygulamaları ilk defa 2018'de Nobel Ödülü almadı. Bugüne kadar onlarca farklı çalışma, doğrudan veya dolaylı yollarla evrimi ve uygulamalarını kullanmaktaydı. Bunun en güncel örneklerinden birisi, 2001 yılında Amerikalı bilim insanı Leland Hartwell'in aldığı Nobel Ödülü idi.

Hartwell, 1965'te kanser araştırmaları üzerine çalışmaktaydı ve hücre bölünmesinin sırlarıyla ilgileniyordu. Araştırmasında ya maya mantarını kullanacaktı, ya da insan ve farelerden bol miktarda hücre toplaması gerekecekti. 60'lı yıllarda mayanın insan ile akrabalığı bilinmiyordu; çünkü insan genomu henüz dizilenmemişti. İnsan ve fare hücreleriyle çalışmak çok zordu; ancak maya mantarları da insana çok uzak olarak görüldüğü için araştırmalarda hiç kullanılmıyordu. Hartwell, hücre bölünmesi gibi çok temel konularda evrimsel süreçte temel bazı genlerin korunacağını öngördü ve maya mantarları ile çalışma yolunu seçti. Aradan geçen onlarca yıldan sonra, Hartwell'in bu evrimsel öngörüsü doğrulandı ve 2001 yılında Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

ABD'nin Ulusal Bilim ve Eğitim Merkezi'nden James McCarter'ın 2005 yılında yaptığı bir incelemede, 1955-2005 yılları arasında verilen 50 Nobel Ödülü'nden 47'si evrimsel biyoloji ve uygulamalarıyla doğrudan veya dolaylı olarak ilgili olduğunu belirtmektedir. Bu durum, evrimin bilim için ne kadar olmazsa olmaz olduğunu göstermektedir.