Tardigradların Genetik Hazinesi, COVID-19 Gibi Hastalıklara Karşı Bizi Koruyabilir mi?

Tardigradlar bilindiği üzere dünyanın en dayanıklı hayvanı unvanını elinde barındıran canlı grubudur. Bu unvanı 2007 senesinde gerçekleştirilen foton-m3 projesi bünyesinde yer alan TARDIS adlı misyonda elde etmiştir. TARDIS misyonu kapsamında düşük dünya yörüngesinde (yerden 160 km ila 2.000 km yükseklikte bulunan yörünge) konumlanan deney düzeneğinde, hiçbir filtre olmaksızın çıplak güneş ışığına dahi dayandıkları gözlemlenmiştir. Bu dayanıklılıkları ardından kelimenin tam anlamı ile "meşhur" olan tardigradların gün geçtikçe dayanıklılık mekanizmalarının aydınlatılması adına yapılan çalışmaların sayısı artmıştır.

Bu çalışmaların başında tardigradlarda ve pek çok canlı grubunda da gözlemlenen çevresel olumsuzlukları karşı koruma formu olarak karşımıza çıkan kriptobiyozun keşfi yatmaktadır. Tardigradlar sahip oldukları kriptobiyoz (gizli yaşam süreci) sayesinde çeşitli çevresel streslere karşı korunma göstermekle beraber, bazı tardigrad türleri kelimenin tam anlamıyla aşırıya kaçarak ökaryotik bir hücrenin sınırlarını zorlamaktadır. Zorlanan bu sınırlar öylesine uçtur ki dünya üzerinde rastlanmamış çevresel stres değerlerine dahi dayanıklılık gösterir.

Sadece dayanıklılıklarını lafta bırakmak ile olmaz; dilerseniz birkaç örnekle tardigradların dayanıklılık değerlerini gözler önüne serelim:

• Tun (uzuvlarını gövdesine doğru çektiği kapalı formu) formundayken atmosferik koşullarda 9-20 yıl arasında, dondurulmuş durumda 30 yıla kadar hayatta kalabilir.
• Sıvı nitrojen ile -253^oC dondurulduğunda 21 aya dayanabilmekle beraber -272^oC’de yani mutlak sıfırın sadece 1 derece üstünde birkaç gün dayandıkları bilinmektedir.
• 151^oC’de yaklaşık 15 dakika boyunca hayatta kalabilmektedir.
• Uzay gibi düşük basınç ortamında 10 gün buna ek olarak 74.019 atm değerindeki muazzam basınçlara dayanabildikleri bilinmektedir.
• X-ray veya ağır iyon (4He) radyasyonunda LD₅₀ (popülasyonun yarısını öldüren değer) değerinde ulaşılan radyasyon seviyesi 5.000 Gy, gama tipli radyasyona gösterilen direnç seviyesi ise 1.000 ila 9.000 Gy arasında değişmektedir.
• UV’ye karşı olan direnç 75-88 kJm^-2 olarak tespit edilmiştir. Unutmamak gerekir ki sadece 40 Jm^-2’de DNA’mızda meydana gelen timin dimeri adını verdiğimiz bozulma ciddi bir seviyede gözlemlenmeye başlanır.
• Çoğu canlı için direkt öldürücü olan çeşitli kimyasallara (karbon dioksit, hidrojen sülfit, 1-hexanol, metilbromid gazı, etanol) birkaç dakikalığına dayanabildiği bilinmektedir.

Böylesine farklı çevresel streslere böylesine uç bir dayanıklılık göstermek hayvanlar aleminde nadirdir. Hatta bazı stresler düşünüldüğünde daha önce eşine dahi rastlanılmamıştır. Bu çeşitlilik kriptobiyozun 5 farklı alt tipinin evrimsel süreçte oluşmasından kaynaklıdır. Bu tipler; anoksiyosis, anhidrobiyosis, cryobiyosis, osmobiyosis ve kemobiyosisdir. Tüm bu tipler farklı çevresel streslerde tetiklenir ve yukarıda bahsini geçirdiğimiz değerlere dayanıklılık sağlar.

Dayanıklılık Mekanizmaları ve Aşı Çalışmalarındaki Potansiyeli

Tardigradların bir korunma mekanizması olarak adlandırdığımız kriptobiyoz sadece çevresel streslere karşı kendilerini korumak için girdikleri bir form ve bunu nematodlar, rotiferler gibi pek çok canlı grubunda gözlemleyebiliyoruz. Tardigradları tüm diğer hayvan gruplarından ayıran ise sahip oldukları genetik materyal ona kriptobiyoz formunda uç değerleri tolere edebilecek bir koruma ve onarım mekanizması sağlamasıdır.

Steve Gschmeissner

Bu mekanizma, tardigrad türleri arasında farklılık gösterse de yaklaşık 400 ila 1000 hücre sayısına sahip olan tardigradlarda öylesine karmaşık bir hal almakta ki 1773 senesinde keşfedilmelerine rağmen henüz yeni yeni öğrenilmeye başladı. Bu öğrenimlerden ilkinin kriptobiyoz olduğunu söylemiştik fakat artık daha derine inmemiz gerekir. Burada karşımıza trehaloz adını verdiğimiz bir şeker çıkıyor.

Trehaloz Şekeri

Keşfi çok daha öncesine dayansa da tardigradlar içerisinde 2000’li yıllarda keşfedilen bu şekerin tardigradların kuruma ve donma gibi pek çok aşamada ona önemli bir üstünlük kazandırdığı düşünülmektedir. Bu üstünlüğün başlıca sebebi vücuttan suyun uzaklaşması ile trehaloz şekerlerinin oluşturulması ve oluşan şekerlerin hücreyi tıpkı bir bal içerisinde duruyormuşçasına korumasından kaynaklıdır. Su geri döndüğünde ise trehaloz şekerleri tekrardan çözünüp hücresel işlevlerin devam etmesine izin verirler.

Kuruma ve donma sırasında böylesine bir koruma oldukça önemlidir. Bunun en temel sebebi kurumaya bağlı olarak hücrelerin yırtılmasının önüne geçmek, donan hücrelerde ise suyun donmasına bağlı oluşan kristallerin oluşmasının önüne geçerek hücrenin patlamasına engel olmaktır. Acaba bu tür bir bileşik mevcut aşıların korunmasında, saklamasında önemli bir rol oynayabilir mi? Çünkü aşılar için en büyük sorun taşınım sırasında soğuk zincir uygulanmasıdır. Bu molekül aşılar içerisindeki etkin moleküllerin veya bileşiklerin ilk gün ki gibi saklanmasında etkin rol oynayabilir. Bunu şimdilik cebimize atalım ve devam edelim.

Jacki Whisenant

Hasar Önleyici Protein (Dsup protein)

Hücreleri kaplayan trehaloz şekerinden bahsettik, şimdi skalayı nispeten biraz daha düşürerek hücre seviyesinden protein seviyesine inelim. Burada karşımıza 2016 senesinde Japon bilim adamları tarafından keşfedilen ve tardigradlara özgü olan Dsup proteini bir diğer ismi ile "Hasar Önleyici Protein" karşımıza çıkıyor.^[1] Bu protein, tıpkı DNA katlanmasında görev alan histon proteinleri gibi DNA’nın etrafını sarmaktadır. Hatta bunu histonların varlığında dahi yapabilmektedir.

Dsup proteini ile sarılan DNA’nın yapılan pek çok deneyde UV’ye ve hidroksil radikallerine karşı net bir şekilde dayanıklılık gösterdiği araştırmacılar tarafından onaylanmış ve daha sonrasında bu protein insan böbrek hücre kültürüne ve tütün bitkilerine aktarılıp aynı etki tespit edilmiştir. Bu protein her ne kadar muazzam bir potansiyel barındırsa da doğası gereği bozuk bir proteindir. Bu bozuk protein bizlere Mars gibi Dünya dışı gezegenlerde tarım yapmamıza yardımcı olabilir.

Bu arada bozuk protein diyerek her seferinde rastgele oluşan ya da işlevsiz bir yapı aklınızda canlandırmak istemeyiz. Pek çok protein, "bozuk" olarak adlandırılabilmektedir. IDP, yani "Intrinsically disordered proteins" (Tr: "İçsel Olarak Bozuk Proteinler") adıyla anılan bu bozuk proteinler, kararsız olmalarına karşın normal proteinlerden birçok yönden farklıdır ve farklı işlev, yapı, sıra, etkileşim, evrim ve düzenlemeye sahip olma eğilimindedir.

Dsup proteini gibi proteinler kullanılarak mevcut hücrelerimiz dayanıklılığının artırılabileceği yapılan deneyler ile gün geçtikçe ispatlanmaya devam etmektedir. Fakat etik nedenler bunun insanlar üzerinde uygulanmasına uzun bir süre daha kullanılmasının önüne geçecektir. Buna ek olarak bozuk proteinler, tıpkı trehalozda olduğu gibi aşıların çok daha uzun süreler boyunca kalabilmesini ve buna bağlı olarak raf ömrünü arttırabileceğini düşünülmektedir. Konuyla alakalı olarak, moleküler ve evrimsel biyolog Thomas Boothby, "Bunun üzerinde aktif olarak çalışıyoruz" diyor. Boothby, proteinlerin aşıları değil, tardigrad hücrelerini korumak için evrimleştiğini, bu nedenle ekibinin bu yeni amaç doğrultusunda onları yeniden optimize etmek için küçük ayarlamalar yaptığını açıklıyor:

Bu tür çalışmaların patentleri var ve bazı ortaklıklarımız var. Her şey yolunda giderse, umarım bu teknolojiyi yakında göreceğiz.

PNAS

Floresan ile UV'ye Direnç

Yakın bir geçmişte yeni keşfedilen bir tardigrad türünün yepyeni bir dayanıklılık mekanizması keşfedildi. Yoğun ultraviyole ışığı floresan kullanarak hücreler üzerindeki etkisini azalttığı gözlemleniyor. Bu etkinin sonucu muazzam olsa da yine nasıl yaptığı hakkında araştırmacıların kafalarında soru işaretleri barındırıyor. Fakat keşfedilen bu özellik öylesine potansiyel barındırıyor ki floresan etkiye sahip tardigradların hücre özütü çıkartılıp UV’ye dayanıklı olmayan tardigradların üzeri bu özüt ile kaplandığında onları dahi UV’den önemli bir miktar koruduğu gözlemlenmiştir.

MRE11 ve ROS Genleri

Tardigradlar her ne kadar moleküler anlamda üstün yeteneklere sahip olsa da tüm bunların arkasında her canlı türünde olduğu gibi genetik bir altyapı söz konusudur. Tardigradlar söz konusu olduğunda, Dsup gibi özgün proteinleri kodlayan genlerin yanı sıra her canlı türünde olan başlıca DNA onarımında ve korunmasında görev alan genler yer almaktadır. Bu genlerin başında MRE11 adını verdiğimiz gen yer almaktadır. Bahsettiğimiz üzere bu gen, pek çok canlı grubunda karşımıza çıksa da tardigradlarda tekrar sayısının önemli ölçüde fazla olmasından dolayı işlevinin çok daha fazla olduğu düşünülmektedir. Öyle ki bizlerde ve pek çok canlı grubunda 1 tane bulunan MRE11 geni tardigradlarda 4 tekrara sahiptir. Bununla birlikte çevresel etkiler ve hücresel aktivitenin bir sonucu olarak oluşabilen reaktif oksijen türlerine karşı görev alan bileşikleri sentezleyen ilgili gen bölgesinden diğer pek çok canlıda 10 tekrar bulunurken, tardigradlarda bu sayı 16'dır. Bu da bizlere korunma mekanizmalarının yanı sıra onarım mekanizmalarının da oldukça iyi olduğunu gözler önüne sermektedir.

Sonuç

Aşı teknolojileri ve COVID-19 gibi salgınlar söz konusu olduğunda tardigradların bu özelliklerinden ilham alınarak, pek çok korunma mekanizması gerçekleştirebilmek ve direkt ilgili bileşikleri kullanılarak virüslere ya da etkilerine karşı önemli keşiflerde bulunmak mümkün olabilir

Tüm bu çalışmalara henüz yeni yeni adımları atıldığı için yapılan keşiflerin beraberinde yepyeni onlarca soru meydana geliyor. Bu soruların cevaplanması biraz şans, yoğun miktarda çalışma ve epey zaman almaktadır. Her gün yepyeni bir özelliği ile karşımıza çıkan tardigradlar, günümüzde olduğu gibi ilerleyen yıllarda da bizler için oldukça önemli bir role sahip olacağa benziyor.