Betül Kacar Kimdir? DNA'yı, Fosil Olarak Kullanarak Dünya'nın Erken Tarihini Araştıran Bilim İnsanı!

Paleontoloji, yüzyıllardır fosil kalıntılarını inceleyerek ve bu kalıntıların evrimsel resim ile nasıl ve neden uyumlu olduğunu analiz ederek uzak geçmişi anlamaya çalışmaktadır. Ortaya çıkan sonuçlar oldukça etkileyicidir. Fakat aynı zamanda kısıtlıdır da... Evrimsel resim, büyük ölçüde bir zamanlar sert gövdeli organizmaların keşfedilmesi ile yumuşak gövdeli canlıların ikonik buluntularına dayanmaktadır. Son yıllarda; paleogenomik disiplini ışığında, biyolojik evrimi anlayışımızda yeni bir yaklaşım gelişti. Gelişen bu alan, günümüzdeki organizmalarda korunan çok eski organizmaların genetik materyaline odaklanarak antik yaşamı ve antik dünyayı keşfetmektedir.

Genlerin davranışlarını değiştirip değiştirmediğini ve eğer değiştiriyorlarsa bunu nasıl yaptıklarını görmek için bu genler, tek başına çalışılabilir veya yapay yollarla günümüzde yaşayan organizmalara yerleştirilebilir.

Bu konuda yüksek hedeflere sahibiz: Yaşamın kökenini ve erken evrimi anlayabilmek ve bunun yanı sıra diğer gezegenler ve uydular üzerindeki potansiyel yaşamın olası özellikleri hakkında temel bir bilgi sağlamak! NASA Astrobiyoloji Programı ve John Templeton Kuruluşu tarafından desteklenen, paleogenomik alanında 10 yılı aşkın tecrübeye sahip, Arizona Üniversitesi'nden Yardımcı Doçent Doktor Betül Kacar şöyle diyor:

Yaptığımız şey, DNA’ya geçmişe gitmemizi sağlayacak bir fosil olarak yaklaşmak... Biz, kendi sahamızı, halihazırda var olan genlerin ve modern biyolojinin üzerine inşa ediyoruz ve günümüzde var olan proteinlerin atasal genlerini ortaya koyarak moleküler bir yaşam ağacı oluşturmak için bu genler hakkında bildiklerimizi kullanıyoruz.

Daha sonra, söz konusu genlerin (çoğunlukla hücrenin aksamadan işlemesinde rol alan çok önemli biyomoleküllerin) çağlar boyunca değişip değişmediği ve değiştiyse bunun nasıl gerçekleştiği sorusunu soruyorlar. Bu, evrimin temel sorularından birinin diğer bir ifadesi: Eğer yaşam filmini başa sarabilseydik, yine aynı şekilde mi ortaya çıkardı? 

Benzer bir araştırma olanağı – günümüzde var olan genlerden antik sekansları yeniden inşa etmek üzerine kurulu. Bu fikir, ilk olarak 1960’larda Linus Pauling ile birlikte ortaya attığı ‘’moleküler saat’’ hipotezi ile bilinen biyolog Emile Zuckerkandl tarafından önerilmişti. Moleküler saat terimi, iki veya daha fazla yaşam formunun farklılaştığı tarih öncesi dönemi anlayabilmek için biyomoleküllerin mutasyon oranını kullanan bir tekniğin sembolik bir ifadedir.

Bu fikrin uygulanabilir hale gelmesi için on yıllar geçmesi gerekti. Kacar’ın da belirttiği gibi bu konudaki çabalar hala sürmekte.

RuBisCo ile Evrim Tarihine Yolculuk!

Kacar'ın belki de en meşhur çalışması, bitki kloroplastlarında bulunan ve fotosentez sürecinde atmosferdeki karbondioksiti bağlayan RuBisCO enzimi üzerine yaptığı çalışmadır. Dünya'da yaşamın ilk ortaya çıktığı zamandan bu yana, enzimler bildiğimiz yaşamı sağlayan hücrelerin içindeki kimyasal reaksiyonların birincil aracı olmuştur. 

Şekerler ve besin açısından zengin diğer bileşikler halinde işlenen inorganik karbonun biyolojik dünyaya girdiği kimyasal reaksiyonun bu katalizörü, dünyadaki yaşamın tarihinde özellikle merkezi bir rol oynamıştır. Bu enzim aynı zamanda, gezegende en bol bulunan enzim olarak da bilinmektedir. 

Kacar ve ekibi, ortak atalarındaki sekansın ne olduğunu anlayabilmek için modern organizmaların RuBisCO gen sekanslarını (genetik dizilimlerini) karşılaştırıyorlar. Kacar şöyle diyor:

Bunu çok ama çok sayıda yaparak, evrim ağacında geriye doğru bir yolculuk yapabiliyoruz.

NASA Astrobiyoloji Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştığı dönemde Kacar, RuBisCO yaşam ağacının yolunu izleyerek yapay antik genlere sahip mikrobiyal genomları üretmek için bir sistem geliştirdi. Siyanobakteri gibi bir organizmanın modern genomunda bulunan protein sentezinden sorumlu gen, 2.5 milyar yıl önce (yani gezegenimizde henüz oksijen ortaya çıkmamışken) var olan, genetik mühendisliği yoluyla düzenlenen atasal gen ile değiştirilebilir. 

2019’un başında, Kacar’ın Tucson’daki laboratuvarını ziyaret ettiğimde bu tip deneyler hala sürüyordu. Şimdiye kadar ortaya çıkan sonuçlara göre atasal gen yerleştirilen bazı bakteriler ölmüştü; fakat bazıları, yerleştirilen atasal genleri bugünkü genlerine kıyasla daha yavaş çalışmasına rağmen hayatta kalabilmişti. 

Kacar’ın ifadesine göre, azalan tepkime hızı, erken RuBisCO enziminin bir özelliği olabilir. Tepkimenin hızının, sonraki mutasyonlardan ziyade, yapay olarak üretilmiş genom tarafından üretilen enzim miktarına bağlı olduğu gözükmektedir.

Paleogenomik Çağı Kapıda!

Paleogenomik alanının günümüzdeki önemli biyomoleküllerin atasal formları üzerine yaptığı araştırmalar hızlı bir ilerleme gösteriyor. Kacar şöyle diyor:

Bu işe 10 yıl önce başladığımda, yalnızca ana konsepti ortaya koymak için öncesinde Zuckerkandl gibi insanlar tarafından ileri sürülen temel fikirleri özenle açıklamam gerekiyordu, çünkü insanlar ‘Yani şimdi ne yapacaksın?’ diye sorabilirlerdi.

Bugün insanlar bu yaklaşımı biyolojinin birçok farklı alanında deniyor ve bu gerçekten muhteşem. Örneğin, yakın zamanda araştırmacıların antik ferredoksini (metabolizmadaki elektronları taşımakla sorumlu önemli bir enzim) yeniden ortaya çıkarıp üretmek üzerine yaptıkları bir çalışmayı okudum. Yani, fikir artık o kadar ilerledi ki diğer araştırmacılar da kendi ilgilendikleri alanlarda aynı teknikleri kullanıyor.

Kacar, araştırma ekibinin geniş bir çalışma alanı olduğunu belirtiyor. Çalışma alanları arasında şunlar bulunuyor:

• hücrenin mRNA’daki genetik bilgiyi "okuduğu" ve yaşam ağacını görselleştirmede kritik role sahip proteinleri sentezlediği translasyon mekanizması,
• RubisCO ve nitrojenaz enziminin kullanıldığı temel metabolik faaliyetler,
• rodopsin gibi ışığa duyarlı pigmentleri inceledikleri biyoimzalar.

Birçok temel biyolojik fonksiyonu kapsamaya çalışmamızı ve bu teknikleri geliştirirken neler yapıp yapamayacağımızı öğrenmeyi seviyorum. Kollarımızı sıvadık, büyük hayallerimiz, enerjimiz ve zamanımız var. Amacımıza ulaşmayı umuyoruz. Ulaşmak için çalışıyoruz.

Paleogenomik Sahasının Zorlukları

Ama bu çalışmanın bazı zorlukları var. Bunlardan biri, Kacar ve çalışma arkadaşlarının araştırdığı antik kaya biyoimzalarının (genellikle farklı karbon izotoplarının), düzenlenen atasal genlere sahip enzim tarafından bırakılan biyoimzalar ile tam olarak eşleşmeme ihtimalinin olması... Ayrıca, Kacar’ın da açıkladığı gibi “çok farklı antik moleküller arasında sistematik olarak aktarılabilen”lerin sayısı çok az.

Belirli bir genin antik sekanslarından sonuç çıkarmak için gösterilen her matematiksel çabanın ve model çıktılarının kendi bazında yorumlanması gerekiyor. Başka bir deyişle, uzak geçmişe giden sinyal yeterince iyi mi? Sinyal geçmişte ne kadar uzağa gidebilir? Ortaya çıkan sekansın gerçekten işlevsel olma olasılığı nedir?

Ortaya çıkarılan antik bileşene sahip bir genom üretmek için gösterilen her girişim kendi özellikleri doğrultusunda üstlenilmelidir ve bunun da birtakım zorlukları olabilir.

Science Direct

Paleogenomik, Disiplinler Arası ve Çok Disiplinli Bir Saha!

Kacar’ın evrimsel biyologlar ile jeologları, bilgisayar mühendisleri ile sentetik biyologları, astrobiyologlar ile astronomları bir araya getiren çalışması disiplinlerarası bir özelliğe sahip. Bu çalışma ayrıca diğer organizasyonlar arasında Kacar’ın, yaşamın kökeni üzerine çalışan Tokyo Yaşam Bilimleri Enstitüsü ile ortaklığını beraberinde getirdi.

Yaşamın kökeni ve moleküler evrimsel araştırmanın sonuçları oldukça açık, ama Kacar atasal genler ve biyomoleküller üzerine olan çalışmasını daha ileri taşımak istiyor. Kacar, yakın zamanda Halk Bilimleri Kütüphanesi'ne (İng: Public Library of Science, PLOS) verdiği röportajda şöyle diyor:

Geçmişin biyolojisine dair bir bakış kazandırmayı hedefliyorum ve sonrasında bu bilgiyi evrenin başka yerlerinde yaşam olup olmadığı üzerine yaptığımız araştırma ile birleştirmek istiyorum.

Bugün bir gezegenin üzerinde hayat olmaması daha önce yaşama ev sahipliği yapmadığı anlamına gelmez ve gerçeğin bu olup olmadığını anlamak için karşılaştırma yapabilmek açısından yaşama dair birden fazla örneğe sahip olmamız gerek.

Dünyanın geçmişi bize alternatif senaryolar sunmaktadır. Yaklaşık 4 milyar yıl öncesine gittiğinizde sizi karşılayacak şey dev lav yanardağları ile dolu, büyük kıtalardan yoksun ve pek çok meteor etkisinde kalmış sıcak ve enerjik bir gezegen olacaktır.

Ama, bizim bugün aşina olduğumuzdan farklı ekolojilere sahip bir yaşamın muhtemelen o zaman da var olduğunu düşünüyoruz. Şaşırtıcı bir biçimde ‘’bu yaşam formlarının molekülleri bir şekilde bugün yaşamı oluşturan temel moleküllere benzerdi.

Örneğin, Almanya’da, Regensburg Üniversitesinden bir grup araştırmacının bulduğu yeniden yapılandırılmış bir bakteri enzimi, 3.4 milyar yıl önce var olmuş olabilecek bir enzim ile fazlasıyla benzerlik gösteriyor.

Kacar'ın Paleogenomik Olmayan Tarihi

Birçok bilim insanı çalışma hayatında beklenmedik ve oldukça ilgi çekici yollardan geçer ve Kacar'ınki de bunun kesinlikle bir örneği.

Kacar'ın ailesi aslen birçok kadının "gözü kara" olarak bilindiği, Türkiye'nin Karadeniz bölgesinden geliyor. Ailesinde, liseden mezun olan tek bir kadın olmadığını söylüyor. 

Kacar İstanbul doğumlu. Çok iyi hatırladığı bir anısına göre, 3. sınıftayken babasının onu karşısına oturtup artık ev ödevlerine yardım edemeyeceğini çünkü kendisinin 2. sınıfta okulu bıraktığını anlatıyor. Ancak babası onu eğitimine devam etmesi ve bağımsız (ve korkusuz) bir birey olması konusunda destekliyor. 

Marmara Üniversitesi Kimya Bölümünde lisansına devam ederken, protein biyokimyası alanında -özellikle Alzheimer ve Parkinson hastalıkları ile ilişkili- tartışmak için gelen bir grup bilim insanı için gönüllü olarak gerçek zamanlı çevirmenlik yaptı.

Özellikle bir konuşma onu çok etkilemişti. Aktivitesi, yaş ile beraber değişen bir enzimin moleküler özellikleri hakkında bir konuşmaydı bu. Bir proteinin konumu değiştiğinde tüm hücresel ve bedensel aktivitelerin çökeceğini öğrendiği ilk anı hiç unutmayacağını söylüyor. 

Kacar büyülenmişti ve gruptaki Amerikan profesörlerden birine ulaşma fırsatı bulmuştu. Profesör ona Howard Hughes Tıp Enstitüsünün "Yaz Lisans Araştırma Bursu"na başvurmasını önerdi. Kacar'ın başvurusu kabul edildi ve burs kazandı. Bu sayede Amerika'ya, Emory Üniversitesi'ne giderek profesörün laboratuvarını ziyaret etti ve burada belirli bir protein üzerine çalıştı. Bu, onun Amerika'da veya herhangi bir bilimsel araştırma laboratuvarında ilk bulunuşuydu. 2004'te ben de aynı laboratuvara lisansüstü öğrencisi olarak geri döndüm. Kacar, 20 yaşındaydı ve laboratuvar dışından herhangi birini tanımıyordu.

Takip eden yıllarda NASA araştırma bursu kazandı, Harvard Üniversitesi'nde ders verdi ve araştırmalar yaptı. En son, Arizona Üniversitesi'nde pozisyon elde etti ve 2018'de bir oğlu oldu. Kacar, aynı zamanda kendini bilimi insanlarla buluşturmaya adamış başarılı bir bilim anlatıcısıdır.

Ve tüm bu süre zarfında, yeni yeni gelişen fakat oldukça zahmetli olan bir disiplinin başlıca bilimsel problemlerini çözmeye çalışıyor. Şöyle diyor:

Başarısızlıktan korkmuyorum. İyisiyle kötüsüyle ben ‘gözü kara’yım!