Otokatalitik Küme Teorisi: Yaşamı Mümkün Kılan Metabolik Ağlar, Evrimsel Sürecin Başında Nasıl Oluştu?

Yaşam, binlerce reaksiyon içeren yoğun ağlar aracılığı ile gıdaları hücrelere dönüştürür. Yeni yapılan bir araştırma, bu tür ağların yaşamın kökeninde nasıl sıfırdan oluştuğunu ortaya çıkardı. Almanya, Yeni Zelanda ve ABD'den uluslararası araştırma ekipleri, ilkel mikropların metabolik ağlarını inceleyerek genlerden daha yaşlı olan otokatalitik kümeler (kendi kendini güçlendiren birbirine bağlı reaksiyonların toplamı) tespit ettiler.

Canlı hücreler, metabolik ağların son ürünleridir. Hücreye giren besin molekülleri, daha sonra hücreleri oluşturan molekülleri üreten yolaklara aktarılan, merkezi ara ürünlere dönüştürülür. Bu ağlar genellikle neredeyse hepsi enzimler (proteinler) tarafından gerçekleştirilen ve genler (nükleik asitler) tarafından kodlanan 1000'den fazla reaksiyon gerektirir. Genler ve proteinler arasındaki bağlantı, ribozomlara genlerde depolanan bilgilere göre protein yapma emrini veren evrensel genetik koddur. Bu bileşenlerin tümü birbirine bağlıdır: ribozomun %50'si protein ve %50'si RNA'dır; proteinler amino asitlerden oluşur; RNA nükleik asit bazları içerir ve amino asitler ile bazlar ise genlerin kodladığı enzimlerle katalize edilen, metabolizmadaki yaklaşık 1000 reaksiyon sayesinde oluşur.

Birbirine bağlı olan bu kadar katmanla, böyle karmaşık bir etkileşim sisteminin nasıl yaşamın kökeninden meydana gelebildiği sorusunun bilim insanlarının kafasını yüz yılı aşkın bir süredir karıştırmış olması gayet doğal. Tüm karmaşık sistemlerin evriminde olduğu gibi, daha basit bir yapıdan gelmiş olmalıydılar. Peki ama nasıl basit bir yapıdan? Joana C. Xavier ve meslektaşları tarafından bulunan ve Londra'daki Proceedings of the Royal Society B'de bildirilen bulgular, uzun süredir sorulan bu sorunun çözümü hakkında yeni yollar sunuyor.

Yeni ipuçları, tüm alanların en beklenmeyeninden geldi: matematik. Yaklaşık 50 yıl önce Amerikalı polimat (hezarfen) Stuart Kauffman, otokatalitik kümeler olarak adlandırılan bu teorik yapıların, moleküler karmaşıklığın kökeninde, metabolizma ve hücrelerde bulduğumuz türden ara ürünlerin olabileceğini öne sürdü. Bu tür otokatalitik kümeler, yeterli başlangıç malzemesine sahip olduklarında kendilerini çoğaltabilen, hem ürün hem de katalizör olan elementlerden oluşur. Metabolizma ve enzimlerin benzerliği açıktır.

Bu otokatalitik kümelerin varlığı ve özellikleri, Yeni Zelanda'daki Canterbury Üniversitesi'nden matematikçi Mike Steel ve Hollanda'dan bilgisayar bilimcisi Wim Hordjik'in bunları bilgisayarda çalıştırma yolunu bulana dek, birçok spekülasyonun ve on yıllarca süren şiddetli tartışmaların konusu olmaya devam etti. Otokatalitik kümelerin belirli bir sınıfı olan ve yapısal olarak hücresel metabolizmaya çok benzeyen RAF'ların (İng: reflexively autocatalytic food generated networks - dönüşlü otokatalitik gıdadan üretilen ağlar) sıfırdan meydana gelme olasılığının kesin olması gibi beklenmedik bir özelliklerinin olduğunu keşfettiler. Steel şöyle diyor:

Asıl şaşırtıcı olan, elementlerin kendilerini çoğaltmaya başlamadan önce, sisteme yalnızca az miktarda katalizör eklemeye gerek duymaları.

Hordjik ise şöyle söylüyor:

Fizikçilerin kendi kendini organize etme olarak tanımladığı şey de otokatalizasyon, yaşamın kökeni araştırmasındaki bir tür kutsal kase.

Gerçek hücrelerin metabolik ağları konusunda deneyimli olan, Düsseldorf Üniversitesi'nin Moleküler Evrim Enstitüsü'nden Joana C. Xavier, RAF'ların en ilkel mikropların (H2 ve CO₂ ile yaşayabilen ağır anaeroblar) metabolik ağlarında tespit edilip edilemeyeceğini merak etmişti. İncelemesinin sonunda, RAF'ların ilkel anaerobların metabolizmasında bulunduğunu; fakat metabolik haritanın tamamından oldukça küçük olduğunu keşfetti (ilkel bir mikrobun yaşamak için H2 ve CO₂'i asetata dönüştürmesi durumunda 394, H₂ ve CO₂'nin metana dönüştürülmesi durumunda ise 209 reaksiyon içeriyordu. Xavier şöyle söylüyor:

Bu araürün çok ilginç; çünkü metabolizmanın evrimindeki ara duruma dikkat çekiyor, ve bu canlı reaksiyonlarından daha karışık, hücreden ise daha basit bir şey.

Wikiwand

Araştırmanın odak noktası olan tek hücreli organizmalar asetojenler ve metanojenler, uzun süredir yaşamın kökeni ile ilgilenen mikrobiyologların araştırma konusu oldu. Bu organizmalar, son evrensel ortak ata olan LUCA'ya ve hidrotermal bacalardaki jeokimyasal reaksiyonlara bağlı. Xavier, asetojen ve metanojen kümelerinin, 172 reaksiyon içeren ilkel bir çekirdek ağı oluşturmak için çakıştıklarını keşfetti. Bu korunmuş, eski çekirdek, bakteriler ve arkelerin farklılaşmasından önce vardı ve ilgi çekici özelliklere sahip. Basit besinlerden amino asitleri ve nükleik asit bazlarını üretebilir; ama besin yerine bazlar kullanılırsa, hiç ağ oluşamaz. Makalenin yazarlarından, otokataliz öncüsü Kauffman bu konuyla ilgili şunları söylüyor:

Otokatalitik ağlar yalnızca gerçek metabolizmalarda fosil bırakmakla kalmıyor, aynı zamanda evrimde hem RNA hem de protein polimerlerinden önce geliyorlar. Bu, kitabım için önemli bir adım demek oluyor.

Makalenin bir başka yazarı olan ve Düsseldorf Üniversitesinden William Martin, ''LUCA'nın metabolizmasına kadar uzanan bu ağlar; genlerden daha yaşlı ve yaşamın kimyasal reaksiyonlarındaki doğal düzene dikkat çekiyor.'' diyor. Asetojenler ve metanojenler, günümüzde hidrotermal bacalarda karşılaşılana benzer koşullar altında geliştiler. Yaşam, hidrotermal bacalarda mı ortaya çıktı? Xavier, bunu şöyle açıklıyor:

Ne kadar yakından bakarsak, bu yönde o kadar fazla işaret görüyoruz. Bu fikir, hepsi bir noktaya yönelen bulguları ortaya çıkarmaya devam ediyor. Bu bacalar muhtemelen Dünya'daki ilk biyoreaktörlerdi.

Otokatalitik ağların modern metabolizmanın bileşenleri olarak tanımlanması, bunları en başa, mikrobiyal yaşamın gerçek dünyasına götürüyor. Kimyasal evrimin en erken evrelerinden fosillerin ortaya çıkarılması beklenmedik bir durumdu ve bu keşif 4 milyar öncesini, yaşamın bir yerlerde, belki de bir hidrotermal bacada, kendiliğinden gerçekleşen kimyasal reaksiyonlardan başlayışını, yani en derin evrimsel geçmişimizi incelemek için bize yeni yollar sunuyor.