RNA ve DNA'nın Evrimi: Ribozim, Dünya'da Yaşamı Nasıl Başlattı?

Eskiden bir yarışma sorusu olarak sorduğumuz bu sorunun cevaplarını yazı dizimizin bu yazısı olarak buraya eklemek istiyoruz, çünkü bir önceki yazımızda açıkladığımız RNA'nın önce oluşup, sonrasında DNA'ya evrimleştiği düşüncesini destekleyen çok güçlü bir bulguya değinmekteyiz. Tahmin ediyoruz ki burada açıklayacağımız gerçekler, canlılığın evrimi hakkında kafalarda oluşabilecek birçok soruyu silecek ve çok ilgi çekici bilgiler sunacaktır. 

Aşağıdaki bağlantıda görebileceğiniz gibi, kitap ödüllü yarışmalarımızdan ikincisinin sorusu şu şekildeydi:

Neden RNA'da Urasil, DNA'da Timin bulunur? Bunların arasındaki ilişki nedir? Bu farklılığın Evrimsel olarak nasıl oluştuğunu ve canlılık tarihindeki Evrimsel süreç ile bağlantısını açıklayınız.

Buradaki yazımızda ayrıntısıyla açıkladığımız gibi, DNA ilk önce oluşan genetik materyal değildir; zaten oluştuğu zaman "genetik materyal olmak amacıyla" da oluşmamıştır elbette, doğada hiçbir zaman belirli bir amaç uğruna değişim gerçekleşmez, pek çok şey spontane ve o an var olan koşullara göre olmaktadır.

Yeni gelişen hücreler içerisinde oluşan bir molekül, sonradan günümüzdeki RNA'yı sentezleyecek olan ve rastlantısal olarak yapısının "kendi kendisini sentezleme reaksiyonunun katalizörü (hızlandırıcısı)" olan ribozim enzimi, kademe kademe gelişmiş ve çoğalmıştır. Daha sonra, yapısı itibariyle etraftaki moleküllerin sentezinde önemli bir rol almaya başlamış, nihai olarak da, en azından günümüze kadarlık sürede, DNA dediğimiz ve "üzücü" bir şekilde RNA'dan çok daha fazla meşhur olmuş "kalıtım molekülünü" oluşturmuştur. Burada hemen "Evrimciler her şeyi rastlantılara bağlıyor." diyecekler için uyarıda bulunalım: Sıklıkla söylediğimiz gibi, hayat zaten sonlu ama çok sayıda değişkene bağlı olarak rastlantılarla gelişen zaman diliminin canlıları ilgilendiren genel adıdır. Eğer bir miktar gerçekçiyseniz, bu oluşan moleküllerin sıradan atomların fiziksel ve kimyasal yasalar altında birleşip gelişmesi sonucu oluştuğunu ve bu oluşan moleküllerin hayatta kalmaya (bozulmadan varlığını sürdürmeye) devam edebilenlerinin günümüze kadar ulaşabildiğini görürsünüz. Bu süre zarfında pek çok elenmeler ve değişmeler olur. İşte buna zaten, evrim denir.

İşte RNA da, bu şekilde sıradan atomların birleşmesi sonucu oluşan bir moleküldür. Hatta hala kabullenemeyenler için iki görsel sunalım:

Yukarıda gördüğünüz ilk resim, Ribozim enziminin 3D modelidir. Bu enzimde görebileceğiniz gibi, tek tek atomlar önce farklı molekülleri oluşturmuş, daha sonra bu moleküllerin farklı birleşimi, Ribozim enzimini meydana getirmiştir. Alttaki fotoğraf ise günümüzdeki taşıyıcı RNA'lardan ikisinin 3D modelidir. Bu resimde daha ayrıntılı olarak tek tek atomları görebilir, birbirleriyle olan bağlarını inceleyebilirsiniz. 

Peki neden bunlar oluştu? Bu, tam olarak doğru bir soru değildir, çünkü cevap "hiçbir nedenle"dir. İnsanlar, hayatlarında "amaç" olmasını isterler. Evet, hayatta olmanıza amaç biçebilirsiniz (ibadet etmek, tüm ülkeleri görmek, bilimi geliştirmek, barışı sağlamak, vs.); ancak bunların hiçbirinin doğa ve Evren için en ufak bir değeri bulunmamaktadır. Çünkü bunlar, insan zekasının evrimi sonucu var edilen konseptlere uyarlanmış yapay amaçlardır. İnsanı meşgul eder ve hayatını dolu dolu yaşamasına sebep olur. Biyolojik olaraksa, var olmamızın hiçbir kültürel amacı yoktur. Daha doğrusu, bu hayatta sıradan bir toprak solucanı, stabil bir California Akasyası, gözle görünmez tek bir öglena ne amaçla varsa, bizler de o amaçla varız. Anne babamız bir şekilde çiftleşti ve bizler olduk. Onların anne babası çiftleşti... Böyle geriye gidersek, önce insan türünden dışarı çıkarız, sonra ilk canlıya ve daha gerisine kadar gidebiliriz. İşte bu başlıkta, o "daha gerisini" irdeleyeceğiz.

Ribozim asla oluşmayabilirdi. Oluşmasa ne olurdu? Muhtemelen bugünkü hiçbir canlı var olmazdı. Belki onun yerine bir başka molekül oluşur ve buna bağlı olarak başka hayat formları evrimleşirdi, bunu bilemeyiz. Ancak kendisiyle birlikte oluşan milyarlarca farklı molekül arasında ribozim de oluştu, doğa koşullarına dayanabildi, oluşan koaservatların içerisinde bir yer buldu ve günümüze kadar gelecek olan "genetik materyal" kavramını hayata geçirmiş oldu. Bunu ne bilerek ne de isteyerek yaptı. İşte burada "Neden-Sonuç İlişkisi Yanılgısı" görürüz. Ribozim, bizleri var etmek "için" var olmadı. Ribozim var olduğu "için" bizler ve diğer tüm canlılar bugün varız. 

Peki ribozimin yapısında neler vardı? Adenin, Guanin, Sitozin ve Urasil. Bildiğimiz hayatın dili olan 4 baz (tahmin edebileceğiniz gibi bunlar da sıradan atomların birleşmesiyle oluşmuştur). Burada, Urasil'e dikkatimizi verelim, çünkü DNA'da Timin bulunurken, RNA'da bu nükleotit yerine Urasil bulunmaktadır ve bu, bize evrimsel tarih hakkında önemli bilgiler verebilir:

Bilim insanları, bu bazlardan hangisinin önce oluştuğunu incelemişlerdir ve bulgular, Adenin ve Guanin (pürinler) bir yana, Sitozin, Timin ve Urasil'den sadece Sitozin'in ilk başta var olduğunu tahmin etmektedirler.

Daha sonra, bilim insanlarının düşüncesine göre, Sitozin'in ilkin koşullarda bolca bulunan su veya nitröz asit (HNO₂) ile tepkimeye girmesi sonucu, veya deaminasyon sonucu, tıpkı bugün de gözlenebildiği gibi Urasil ve Amonyak molekülleri oluştu. Aşağıda sitozinin urasile dönüşümü görülmektedir:

Bu sırada, Ribozim'den bile bahsedemiyoruz henüz, daha yeni yeni Ribozim'in yapısını oluşturacak bazlar meydana geliyor, yani ortada henüz bir "genetik" bulunmuyor, tüm koaservatlar var olma mücadelesi veriyorlar ve rastlantısal, tamamen fizik yasalarına bağlı bölünmeler geçiriyorlar. Ne zaman ki bizim bugün dönüp baktığımızda onlara Adenin, Guanin, Sitozin ve Urasil molekülleri, yukarıdaki gösterilen şekillerde oluşuyor ve birbirleriyle birleşerek büyümeye başlıyorlar, işte o zaman ilkin Ribozim'den bahsedebiliyoruz.

Ribozim gibi moleküllere "oto-katalizör" diyoruz, çünkü dediğimiz gibi kendi kendilerinin üretimini hızlandırıyorlar. Yani bir tane Ribozim oluştuğunda, etraftaki kimyasal molekülleri kullanarak ikinci bir Ribozim'i hızla üretebiliyor (aslında hiçbir şey "üretmiyor", etraftaki moleküller, şekillerinden dolayı Ribozim'in şekline uyuyor ve diğer moleküllerle birleşmeleri hızlanıyor). Daha sonra bu iki Ribozim, iki yeni Ribozim'i hızla oluşturuyor. Bu dördü, dört yeni Ribozim daha yapıyor ve kısa sürede milyonlarca Ribozim'e ulaşılabiliyor (laboratuvarda da yapılabilmektedir). 

Daha sonra, Ribozimler farklı birleşim biçimleriyle farklı isimler alıyorlar (çekiçbaşı ribozim ve diğerleri). Daha sonra, bunların bazı formları, bizim bugün RNA dediğimiz yapı haline geliyor, aslında yapısal olarak Ribozim ile RNA arasında hiçbir fark yok, sadece RNA, evrimleşmiş yapısından ötürü oto-kataliz özelliğini kaybetmiştir, ancak buna karşılık, ribozimden çok daha farklı işleri yapabilecek şekilde özelleşmiştir.

Bu sırada, bir diğer tepkime meydana geliyor: Metilasyon! Yani, oluşan urasil molekülüne metil (CH₃) molekülünün dahil olması. Ve bunun sonucunda ilk timin yapısı oluşmaya başladı. Bunu aşağıda görebiliriz:

Tekrar edelim, aslında olan tek olay, moleküllerin eklenmesi ve çıkması, yapıların değişmesi. Bu artistik isimleri biz insanlar bu moleküllere takıyoruz. Ortalıkta bizler olmasaydık da bu işlemler gerçekleşecekti; ancak o zaman onlara "isim takacak" kimse olmayacaktı (belki de yaşam "amacımız" etrafa isim takmaktır, kim bilir?).

Bu basit işlemin ürünü olan Timin, birçok açıdan Urasil'e üstünlük taşıyordu:

• Timin, metilasyon sonucu oluşmaktadır ve metil grubu, molekülü hidrofobik kılar. Normalde, metil grubu olmasaydı, DNA su içerisinde daha kolay parçalanabilirdi; ancak hidrofobik metil grubu ve bunu barındıran Timin, buna engel olmaktadır. Ayrıca genelde sıvı içerisinde bulunan DNA, Timin'in etraftaki su moleküllerini itmesi sebebiyle daha stabil bir yapı haline gelebilmektedir. Gerçekten de RNA çok daha kolay hidroliz edilebilmektedir.
• Urasil, açık kimyasal bağlarından ötürü farklı moleküllerle tepkimeye girmeye çok açıktır ve bu da mutasyon oranlarının yüksek olmasına sebep olur. Timin, çok daha kararlı bir moleküldür. 
• Hepsinden önemlisi, yukarıda açıkladığımız gibi Sitozin, çok kolay bir şekilde Urasil'i oluşturacak şekilde deaminasyona (NH2 atımı) uğrayabilmektedir. Oluşan bu Urasil, normalde Sitozin ile eşlenecek olan Guanin yerine Adenin'in gelmesine sebep olmaktadır. Günümüzde DNA'yı koruyan bazı düzeltici moleküller, DNA üzerindeki Urasil'i ayırt edip (daha doğrusu yapıları Urasil ile uyuşup) bu hatayı görüp düzeltebilmektedirler (daha doğrusu yapıları uyuştukları için tepkimeye girerek Urasil'i değiştirirler). Eğer DNA'da Urasil'den farklı bir molekül bulunmasaydı, Sitozin'in deaminasyonu sürekli mutasyonlara sebep olacaktı, bu da kararsız moleküllerin hayata tutunamaması demektir. Belki de pek çok böyle molekül oluştu, ancak Doğal Seçilim ile mikro boyutta elendirler.
• Ayrıca Urasil, görüldüğü gibi çok kolay metilasyona uğrayabilmektedir. Normalde metilasyon, DNA kopyalanması sırasında devreye giren kopyalayıcı moleküllerin durmaları gereken yerleri belirlemek amacıyla kullanılır. Urasil taşıyan DNA molekülleri olsaydı, Urasil metile olduğu anda kopyalanma hataları oluşabilir ve canlılık sona erebilirdi.
• Urasil, metilasyona uğramamış haliyle her baz ile çift yapabilmektedir (ancak Sitozin ve Guanin çok daha güçlü eşlendiği için Urasil'e hep Adenin kalmaktadır, Sitozin ya da Guanin'e bağlanamamaktadır); hatta Urasil kendisi gibi bir diğer Urasil'e bile bağlanabilir. Bu da, DNA için büyük bir sorun yaratmaktadır. Bu yüzden günümüzde DNA'da Urasil bulunmaz.

İşte tüm bu şartlar altında, RNA'dan çok daha güçlü bir yapıda olan, meşhur çift sarmal, DNA oluştu. DNA'nın oluşumu, RNA sayesinde gerçekleşti. En başta Urasil'e sahip olan Ribozimler vardı, bunlardan yine Urasil'e sahip olan RNA oluştu. Bir adım öteye gidip içerisindeki Urasil bazları metilasyona uğrayan RNA'lar, kendilerinin karşıtlarıyla birleşir ayrılmayarak çift sarmallı DNA molekülünü oluşturdular.

Görüldüğü üzere, tek bir atom ve molekülden, kademeli olarak insanı büyüleyen ve bilim dışı inançlara saplanmasına sebebiyet veren DNA molekülüne ulaşabilmekteyiz. 

Belirttiğimiz gibi, bu moleküllerin hiçbiri var olmayabilirdi, var olmak zorunda da değillerdi. Ancak bir şekilde, yukarıda anlatıldığı reaksiyonlar ve belki daha fazlasıyla, bu moleküller atomlardan ve çok daha karmaşık yapılar bu moleküllerin farklı birleşimlerinden meydana geldi. Bunlar, cansızlıktan "canlılık" dediğimiz ve aslında pek de geçerli bir kavram olmayan olguyu başlattılar, dolayısıyla gerçek anlamıyla Evrim, bu noktadan sonra başladı (genetiğin başlamasıyla). Ancak görüldüğü üzere, daha gerçek anlamda bir canlı bile ortada yokken, Evrim'in izlerini sürmek mümkün olabilmektedir. 

DNA, "değişik RNA"ların hayat mücadelesinde başarılı olabilenlerinin arasından çıkan bir moleküldür. Bugün ağzımız açık şekilde incelediğimiz bu molekül, 4 milyar yıldır evrimleşmekte, gelişmekte ve değişmektedr. DNA'nın laboratuvarda uzun yıllar üretilememiş olmasından aynı uzunluktaki yıllar boyunca bilimi ayaklar altına alan cahiller ve bilim düşmanları, DNA'nın yapay olarak üretilmesiyle sessizliğe bürünmek zorunda kalmışlardır. Aynı kişilerin, yere göğe sığdıramadıkları "hücreler" de, elbet bir gün yapay olarak üretilebilecektir ve bu konuda çok başarılı ön adımlar atılmıştır bile; hem de tamamen cansız yapıların bir araya gelmesiyle oluşan canlı benzeri yapıların üretilmesi başarılabilmiştir. 

DNA'nın "tüm bilgileri içeren kalıtım molekülü" olmasının nedeni, bu güçlü yapısı ve sürekliliğidir. Aslında DNA, insanların ilk etapta anladığı anlamıyla bir "bilgi" barındırmaz. Tek barındırdığı farklı atomlar ve moleküller ve bunların canlının ana-babasından aldığına bağlı olarak belirlenen dizilimlerdir. İlk canlılardaki dizilimler, çok daha rastlantısaldır; ancak sonradan, eşeyli üreme ile birlikte bu dizilimler düzenlenmiş ve anne babadan eşit miktarda bilgi alınır hale gelinmiştir. Hala mitozla üreyen canlılarda çeşitliliğin artmamasının tek nedeni, bu moleküler boyuttaki değişimin mitozda sağlanamamasıdır (mutasyonlar hariç). Ve işte tüm bu sebeplerle, DNA aslında bir "bilgi" taşımaz. Diğer moleküller, öncelikle RNA, sonrasında ise RNA tarafından üretilen ve hücrelerimizde, dokularımızda ve organlarımızda kullanılan enzimler bu moleküle (DNA) göre üretilir. Yine bir "Neden-Sonuç İlişkisi Yanılgısı" tehlikesi görmekteyiz: DNA, diğer enzimleri ve tüm hücresel fonksiyonların moleküllerini denetleyici özellikte olmak "için" evrimleşmemiştir. Diğer her şey, DNA molekülü ve üzerindeki atomların biyokimyasal tepkimelerine "göre" var oldukları ve bu şekilde daha düzenli kalabildikleri "için", günümüzde DNA molekülü üzerinden tüm genetik "bilgi" işlevini sürdürmektedir. Yani DNA için "bilgi" tanımı, son derece kısıtlı ve sadece "dizilim"den ibarettir. Bu dizilim de, DNA en nihayetinde sıradan bir moleküller bütünü olduğundan ötürü, zaman içerisinde değişebilmekte, bozulabilmektedir. Bunun sonucunda da ya çeşitlilik artmakta ya da DNA'yı barındıran bu canlılar adapte olamayacakları kadar köklü değişimlere zorlanıp, iç dengelerini kaybederek yok olmaktadırlar. Yani her şeyimiz, bu sıradan tepkimeler sonucu oluşan moleküllere bağlıdır.

Evrim Ağacı Abiyogenez Yarışması Kazananları

Ayrıca yarışmamızın kazananının ve özel tebriği hak edenlerinin yazılarını da burada paylaşmak istiyoruz:

Nükleotitler DNA yapısına katılmadan önce, urasil folik asit ile metilasyona uğrayarak timin formuna dönüşür. Bundan sonra nükleotitlerin yapısına birer fosfat grubu daha eklenir ve dNTP(dna içinde yer alan dizi bilinen iki segment arasındaki özgün bölgeyi enzimatik olarak çoğaltmak için olan tepkime.) halinde DNA yapısına girmeye hazır olurlar. Bu işlem DNA'nın nükleaz adı verilen ve nükleik asitleri yıkıcı özellik taşıyan enzimleri tanımasına yardımcı olur. Bu sayede DNA bakteriler ve virüs gibi canlıların verebileceği hasarlardan korunmuş olur.

Evrim için yararı; urasilin bulunması DNA'da oluşabilecek mutasyon riskini arttırır. Yani urasil, kalıtsal bilginin diğer nesillere aktarılması için güvenli değildir.

Evrensel Filogenetik ağacı sıfırdan başlatan şeyin bir gen değil bir molekül olduğu bulunmuştur. İlk yeryüzü koşullarında abiyogenez yolla sentezlenmiş glisin, alanin, izolösin gibi aminoasitlerin yanında, urasil bazı ve adenin bazları da bulunmaktadır. İşte böyle bir karışımın sudaki gelişmesi dikkate alındığında, urasil bazı genoma gerek duymadan su ile karşılaşınca bir polisakkarit olan selüloza dönüşüyor. Bu noktadan hareketle urasilin, bitkilerin hücre duvarındaki gelişmeleri gibi kloroplast öncesi gelişmeleri yapacağı gerçeği ortaya çıkıyor. Ve böylece, ilk yeryüzü koşullarında heterotrop canlıların gelişmesi için gerekli selüloz ve azotla dolmuş göl ve okyanusların oluşmasını sağlamış oluyor.

Abiyogenez ile oluşmuş preprokaryotik bir molekül olan urasil su ile karşılaşınca yeni bir moleküle, yani selüloza dönüşüyor. Oluşan bu selüloz suda erimiyor ve dahası nucleotidlerin polimerleşmesi için gerekli hidrofob ortamı oluşturarak abiyogenezden biyogeneze ilk adımın atılmasına neden oluyor.

Kazanan: Çağla Deniz Pulat

DNA'da timin bulunması DNAyı daha güvenilir bir kalıtsal materyal yapar.Urasilin DNA'da yer alması mutasyon oranında artışa neden olur. halbuki DNA'nın kalıtsal bilgiyi nesiller boyunca doğru bir şekilde aktarabilmesi gerekir.timin urasil gibi tRNA yapısına katılır.urasilde sitozinin yıkımı sonuçu seyrek olarak DNAda bulunur.urasil ile timin arasındaki fark urasilde timindeki gibi metil grubunun olmamasıdır.4 milyar yıl önce sitozin, guanin, adenin, urasil adı verilen bazların sentezlenmesi gerçekleşmiştir.modern evrim kuramına göre yaşam RNA ile daha sonraki bir aşamada urasil dönüşme yada eklenme yoluyla yerini timine bırakmış ve böylelikle daha kararlı bir molekül olan DNA ortaya çıkmış

Özel Tebrik: Fatmagül Çiftçi

Bildiğimiz kadarıyla DNA'dan önce, RNA dünyaya hakimdi. Bu düşünce doğruysa; Urasil, Timin'den önce var olmuştur diyebiliriz.

DNA evrimsel süreçte geliştiğinde, Timin kalıtsal bilgiyi depolamada daha harika bir kararlı yapı içeriyor olabilir. RNA kısmen daha çabuk yapısını bozuyor. Fakat DNA çift sarmal yapısından dolayı daha kararlı bir yapı gösteriyor. RNA da, DNA'dan daha çabuk hidrolize oluyor.

Diğer bir bilgi de, RNA, daha basit bileşiklerden oluşuyor. Ama DNA'yı yapmak için önce RNA nükleotidlerini yapmamız ve sonra onları dönüştürmemiz gerekir. Nükleotidin Riboz bileşiğinden bir oksijen atomunu, deoksiriboza çıkartıyoruz. Ardından da Timin için Urasil'in ana yapısına bir metil grubu ekliyoruz.

Ama genel soruya dönersek: Timin hangi konuda Urasil'den daha avantajlı? Sitozin, amin grubu uzaklaştırılarak ara sıra Urasil'e dönüşebilir. Bu Urasil silinmiş olmazsa, sıradaki replikasyon, Adenin'in yeni dizideki kalıbı olarak, Guanin'den Adenin'e bir mutasyon gerçekleşecektir. Dna'da temel olarak Timin rol alırsa, hücre deaminasyonu daha rahat saptayabilir. Çünkü basitçe Urasil orada olmayacak. Ardından da hücre Dna'nın düzenleme enzimi aracılığıyla Urasil'i silecektir.

Tüm bunlarla, DNA kendisini kalıtsal bilgileri aktarma konusunda daha avantajlı hale getiriyor. Evrim de avantajlı yöne geliştiğinden dolayı benim açıklamam bu yönde.

Özel Tebrik: Mert Öztürk