Peptit-RNA Dünyası Hipotezi: Son Evrensel Ortak Atamızda Peptitler ve RNA Bir Arada Çalışıyordu!

Başlangıçta, basit kimyasallar vardı. Ve basit kimyasallar zamanla tek hücrelilerde ihtiyaç duyulan proteinleri oluşturan amino asitleri ürettiler. Ve bu tek hücreliler, bitkileri ve hayvanları oluşturdu. Son araştırmalar, ilksel çorbanın yapıtaşlarından nasıl amino asit ürettiğini ve yaygın bilimsel fikir birliğinin de söylediği gibi, evrimin ilkel tek bir hücreden bitki ve hayvanlara doğru gerçekleştiğini ortaya çıkardı. Ama yapıtaşlarının ilk hücreyi oluşturacak proteinler şeklinde nasıl birleştikleri hala bir gizem.

Şimdi, uzun süredir Kuzey Carolina Üniversitesi’nde olan iki bilim insanı (Dr. Richard Wolfenden ve Dr. Charles Carter), 4 milyar yıl önceki yapıtaşlarından hayatın oluşumuna yeni bir ışık tuttular. Kuzey Karolina Üniversitesi, Tıp Fakültesi Biyokimya ve Biyofizik Profesörü Carter şöyle söylüyor:

Araştırmamız, aminoasitlerin fiziksel özellikleri, yani genetik kod, ve protein katlanması arasındaki bağlantıyı gösteriyor. Başlangıçta, büyük karmaşık moleküller sahneye çıkmadan çok önce, büyük ihtimalle bu sıkı bağlantı gerekliydi. Bu etkileşim, büyük ihtimalle yapıtaşlarından organizmalara evrimin anahtarı.

Bulguları Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dergisinde yayınlandı. Araştırma; kodlama, düzenleme ve genleri ifade etme rolünü üstlenen RNA molekülünün, kendini ilksel aminoasit ve kozmik kimyasalların çorbasından ayırdığını ve tek hücrelilerde bulunan peptid olarak adlandırılan kısa proteinlerin oluşmasına sebep olduklarını varsayan, problemli “RNA Dünyası” teorisine de karşı çıkıyor.

Wolfenden ve Carter, RNA’nın yalnız çalışmadığını iddia ediyor. Çünkü RNA'nın peptit oluşumunu katalize etmesi (hızlandırması), peptitlerin RNA oluşumunu katalize etmesinden daha olası değil.

Bulgular, milyarlarca yıl önce hayatın evrimleşme hikayesine yeni bir katman ekliyor.

Evrensel Son Ortak Atamız: LUCA

Bilimsel çevreler 3.6 milyar yıl önce şu an Dünya üzerindeki her şeyin bir evrensel son atasının (Last Common Universal Ancestor, ya da kısaca LUCA) var olduğunu biliyorlar. LUCA, tek hücreli bir canlı gibiydi, birkaç yüz geni vardı. DNA replikasyonu, protein sentezi ve RNA transkripsiyonu için gerekli planlar, LUCA’da henüz tamamlanmıştı. Modern organizmaların içerdiği tüm basit bileşenleri –örneğin yağları– içeriyordu. LUCA’dan yola çıkarak hayatın nasıl evrimleştiğini görmekse kısmen daha basit.

Yine de, yaklaşık 4.6 milyar yıl önce Dünya'nın oluşumundan sonra oluşmuş olan kaynayan kimyasallar kazanından LUCA'nın nasıl ortaya çıktığı üzerine, 3.6 milyar yıldan öncesine dair bir kanıt bulunabilmiş değil. Bu kimyasallar, amino asitleri oluşturmak üzere tepkimelere girdiler ve şu an hala bizim hücrelerimizde bulunan proteinlerin yapıtaşlarını oluşturuyorlar. Carter şöyle söylüyor:

LUCA hakkında çok şey biliyoruz ve amino asit gibi hayatın yapıtaşlarının üretilmesi sırasında gerçekleşen kimyasal olayları öğrenmeye başlıyoruz, ama bu iki ana bilgi arasında bir bilgi çölü var. Nasıl araştırabileceğimizi bile bilmiyorduk.

Kuzey Karolina Üniversitesi'nin araştırmaları, bu bilgi çölünde küçük bir kasabayı temsil ediyor. Carter sözlerine şöyle devam ediyor:

Dr. Wolfenden, yirmi amino asidin fiziksel özelliklerini saptadı ve bu özellikler ile genetik kod arasında bir bağ bulduk. Bu bağlantı bize, Dünya’daki hayatın ilk başlangıcında düşündüğümüz seçilim sürecinin başlaması için gerekli peptid ile RNA etkileşimini olası hale getiren; ikinci, daha eski bir kodun olduğu fikrini verdi.

Bu yüzden Carter RNA’nın ilkel çorbadan kendi kendine ortaya çıkmak zorunda olmadığını söylüyor. Onun yerine; hücreler oluşmadan bile, protein ve RNA’nın oluşumuna sebep olan, amino asit ve nükleotit etkileşimi olması daha muhtemel görünüyor.

Basitten Karmaşığa...

Proteinler işlevlerine uygun özel bir şekile katlanmalılar. Wolfenden öncülüğünde hazırlanan ilk PNAS makalesi, yirmi amino asidin polaritelerini (su ve yağın onları nasıl etkilediği) ve protein katlanması –bir amino asit zincirinin kendini özel bir üç boyutlu yapı haline getirdiği biyolojik fonksiyon- gibi karmaşık bir işlemi açıklamaya yardımcı olan boyutlarını açıklıyor. Biyofizik ve Biyokimya Ayrıcalıklı Profesörü Wolfenden şöyle söylüyor:

Bizim deneyimiz amino asit polaritesinin, genetik kodlama ile protein katlanması arasındaki temel ilişkilerin bozulmadığı geniş bir sıcaklık aralığında sürekli olarak nasıl değiştiğini gösteriyor.

Bunu ortaya çıkarmak önemliydi çünkü Dünya’da hayat başladığında sıcaklık çok fazlaydı, büyük ihtimalle ilk bitkiler ve hayvanlar ortaya çıktığında ısı çok daha fazlaydı.

Wolfenden’in labaratuvarında amino asitlerle yürütülen bir dizi biyokimyasal deney iki özelliğin –büyüklük kadar amino asitlerin polaritesinin de– proteinlerin katlanırken gösterdikleri davranışları ve 4 milyar yıl önceki Dünya’nın yüksek sıcaklıklarıyla ilişkisini açıklamak için gerekli ve yeterli olduğunu gösterdi.

Carter öncülüğünde hazırlanan ikinci PNAS makalesi aminoasil-tRNA sentetaz olarak adlandırılan enzimlerin nasıl tRNA’yı tanıdıklarını inceliyor. Bu enzimler genetik kodu proteinlere çeviriyorlar. Carter şöyle söylüyor:

tRNA’nın bir adaptör olduğunu düşünün, adaptörün bir ucu belirli bir amino asidi taşıyor; diğer ucu bu amino asit için mRNA’dan genetik kalıbı okuyor. Her bir sentetaz yirmi amino asitten birini kendi adaptörüyle eşleştiriyor, böylece mRNA’daki genetik kalıp orjinaline sadık kalarak her seferinde doğru proteini sentezliyor.

Carter’in analizleri, L-şekilli tRNA moleküllerinin iki farklı ucunun da hangi amino asidin seçileceğini belirten bağımsız kodlar (ya da kurallar) içerdiğini gösteriyor. Amino asit taşıyan tRNA bitişi boyuta uygun olarak amino asitleri sıralıyor.

L harfi şeklindeki tRNA’nın diğer ucu anti-kodon olarak adlandırılıyor. Anti-kodon birbirinin peşisıra gelen üç RNA nükleotidi içeren amino asidin polaritesine uygun seçilmiş genetik mesajı içeren kodonları okuyor.

Wolfenden ve Carter’ın sonuçları Dünya’nın ilkel dönemleri süresince tRNA ve amino asitlerin fiziksel özellikleri –büyüklükleri ve polariteleri– arasındaki ilişkinin çok önemli olduğuna işaret ediyor. Carter’ın Urzimler olarak adlandırılan çok küçük ve aktif tRNA sentetaz özleriyle yaptığı önceki çalışması ışığında, şimdi boyuta göre seçilimin polariteye göre seçilimden önde olduğu görülmekte. Bu sıralı seçilim, ilk proteinlerin eşsiz katlanmalara ihtiyaç duymadığı ve onların eşsiz katlanmalarının daha sonra evrimleştiği anlamına geliyor. Carter şöyle ekliyor:

Genetik kodun proteinlere çevrilmesi, ön-canlı kimyası ve biyolojisi arasındaki bağlantı noktasıdır.

O ve Wolfenden, ileri seviye genetik kodlamanın; sadelikten karmaşıklığa nasıl ulaşıldığı ve yaşam tarafından işin iki farklı çeşit polimere –proteinlere ve nükleik asitlere– nasıl paylaştırıldığı paradokslarını çözeceğine inanıyor. Wolfenden şuna dikkat çekiyor:

Gerçek şu ki, genetik kodlama birbirini takip eden evrede gelişti. Bunlardan ilki, diğerine nazaran daha basit. Belki hayatın Dünya hala gençken ortaya çıkmasının sebeplerinden biri de budur.

Bir ilkel kod yani ilkel kodlu peptidlerle birleştirilmiş tRNA, belki de kesin seçimli bir avantaja sahipti. Ve bu ilkel sistem doğal bir seçilim işlemine maruz kaldı, dolayısıyla yeni ve bir sürü evrimsel biyolojik form oluşumu başladı. Carter sözlerini şöyle bitiriyor:

RNA ve peptidler arası işbirliği belki de kendiliğinden ortaya çıkan karmaşıklık(gelişmişlik) için gerekli. Bizim bakış açımıza göre bir peptid-RNA dünyası vardı, sırf RNA dünyası değil.