Evrimi Başa Alırsanız Ne Olur?

Arizona Üniversitesinden bir ekip, evrimi anında geriye saracak bir “anahtar” geliştirdi. “Atasal gen canlandırması” adı verilen bu teknikle, eski genler modern E.coli bakterilerine aktarılarak evrim yeniden başlatıldı ve süreç izlendi. Bu durum, erken Dünya üzerinde canlılığın nasıl başlamış olabileceğine ve diğer gezegenlerde yaşamın neye benzeyebileceğine dair ipuçları sunuyor. Çalışmanın başyazarı, Arizona Üniversitesinden astrobiyolog Betül Kaçar şöyle söylüyor:

Yaşı 700 milyonun üzerinde olan temel bir gen ile genetik olarak düzenlendiklerinde bile, organizmaların bütün işlevlerini yürüterek yaşayabildiğini gördük. Çalışmamız bunu ispatlayarak sıradaki soruları sormamızı sağlıyor: Evrimi ne kadar geriye takip edebiliriz? Gen dizilerinin eskiden olduğu gibi aynı şekilde evrim geçirip işlev görmelerini bekleyebilir miyiz? Eski ve yeni dizilerin benzer oluşu, genin de aynı şekilde çalışacağı anlamına gelmemektedir.

1989’da ünlü evrimsel biyolog Stephan J. Gould bir düşünce deneyi ortaya attı: Zamanı geriye sarabilseydik ve evrim tekrar başlasaydı, ortaya çıkan sonuç şu anki bildiğimiz Dünya yaşamına benzer miydi? ‘Yaşam kasetini başa alma’ düşüncesi on yıllar boyunca teorik bir soru olarak kalmış ve bilim insanlarınca sonu tükenmez tartışmaların konusu olmuştur. Tartışmaların merkezinde, bir organizmanın geçmişinin onun gelecekteki halini nasıl sınırlandırdığını anlama çabalarında olasılık ve determinizm (belirlenimcilik) arasındaki gerilim yer almıştır.

Bir organizmadan gen alıp başka bir organizmanın genomuna eklenmesi demek olan rekombinant DNA teknolojisinin gelişimi, Gould’un bu sorusunu deneysel olarak cevaplamamızı sağlamaya başladı. Kaçar, Georgia Tech Üniversitesinden doktora sonrası danışmanı Eric Gaucher ile beraber, NASA destekli bir projede laboratuvar emektarı E.coli bakterisinde evrimi tekrar başa aldılar. E. coli bakterilerinin sil baştan evrimini sağlayamazlardı elbette, ama hayatta kalmak için ihtiyaç duydukları belli bir anahtar proteinin evrimini geriye sarabilirlerdi.

EF-Tu: Protein Yapımında Kullanılan Eski Bir Gen

2008 yılında Kaçar, tam bir proteine dönüşecek olan amino asit yapı taşlarını birbirine bağlamaya yardım eden Elongation Factor-Tu (EF-Tu) adlı bakterilere ait 500 milyon yıllık önemli bir gen dizisini yeniden inşa etti. EF-Tu’nun bu versiyonu Kambriyen patlamasından hemen sonra, yaşamın giderek karmaşıklaşmaya başladığı bir dönemde ortaya çıkmıştı. Ribozomal protein olduğundan, yani hücrenin sağkalımı bu proteinin işleyişine bağlı olduğundan, hücrenin tam merkezindeydi.

EF-Tu geninin bu eski versiyonu E. coli bakterisindeki yeni versiyonundan 28 noktada farklılık gösteriyordu. Bu bakteriler EF-Tu olmadan yaşayamayacakları için Kaçar’ın ilk işi bu eski genin modern E. coli bakterisinde işlev görüp görmeyeceğini anlamaktı. Bu sebeple, 2 adet EF-Tu kopyasını tek bir eski versiyon EF-Tu ile yer değiştirip beklemeye koyuldu. Kaçar konuyla ilgili şunları söylüyor:

“Söz konusu gen, uzun süren uykusundan yeniden uyanmıştı. Etrafındaki her şey değişmişken çevresine uyum sağlamayı öğrenmesi gerekiyordu.”

Ortaya çıkan eski ve yeni karışımı hibrit bakteri büyüyebiliyordu. Ancak bakterinin büyüme oranı ölçüldüğünde, onun zaman içerisindeki bu yolculuğu evrimsel uyumluluğunu üçte iki oranında düşürüyordu. Bu büyük düşüşle beraber Darwinci evrim sahneye çıkıyor, bakterilerdeki binlerce geni onarmaya başlıyordu. Kaçar, bu hibrit bakterilerden altı farklı popülasyon yaratıp onları laboratuvarda büyümeye bıraktı. 2.000 nesil boyunca gözlenen popülasyonların her biri evrimsel yolculuklarında yeni bir olası son ile karşılaştı. 

Kaçar’ın popülasyonlarından biri hariç hepsinde, eklenmiş olan EF-Tu geniyle birlikte E. coli bakterileri benzer şekilde evrim geçirdi. Hücreler, EF-Tu genini değiştirmek yerine, işlev azalmasıyla başa çıkmak için EF-Tu proteininden fazla miktarda üretti. Bulabilecekleri milyonlarca olası çözüm arasında bakteriler, çoğunlukla aynı çözüme (EF-Tu proteinini artırma) odaklanmış gözüküyorlardı. Kaçar, daha az öneme sahip proteinlerin üretimindeki bu artışa organizmanın “acil durum yanıt sistemi” diyor. Basit olmasına rağmen değişim işe yaramış, eski EF-Tu protein miktarındaki artış bakteri uyumluluğunu sağlamıştı.  

Ancak tüm bunlar problemin tek olası çözümüymüş gibi algılanmamalı. Kaçar deneylerine sadece altı değişik E. coli popülasyonuyla başladı. Doğal yaşamdaki seleksiyon, milyonlarca farklı organizmanın torunlarını biçimlendirmiştir. Halbuki laboratuvar ortamındaki 2000 nesil, evrimsel süreçte sadece göz açıp kapayıncaya kadar geçen bir süreçtir. Kaçar’a göre, bu altı soy hattının tümü tesadüfi olarak ‘uyumsuz protein miktarındaki artış’ çıkar yolu üzerinde birleştiği için bu çözüm, daha iyi bir mutasyon ortaya çıkana kadar geçici bir önlem (çözüm) olabilir.

Araştırmayı Genişletmek

Kaçar, bir sonraki aşamada evrimin ne gibi çözümler bulabileceğini görmek için soy hatlarını genişletmeye devam etti. Benzer deneyleri, siyanobakteriler ve atmosferdeki karbondioksiti glukoza çeviren rubisco dahil fotosentezin belkemiği olan proteinler üzerine de yürüttü. (Kaçar’ın rubisco ile ilgili çalışmasına İngilizce olarak buradan ulaşabilirsiniz.)

Kaçar, çalışmanın sadece bu gezegendeki yaşamla ilgili olmadığını, başlangıç malzemelerinin canlılığı nasıl biçimlendirdiği veya biçimlendirmediği bilgisinin, bilim insanlarına yaşamın diğer gezegenlerde neye benziyor olabileceğine dair çok şey anlatabileceğini söylüyor. Atasal gen canlandırması, aynı zamanda, gelecekte yaşamın değişen iklime ve diğer insan kaynaklı değişimlere nasıl adapte olabileceğiyle ilgili bilgi verebilir. Kaçar çalışmanın önemi hakkında şunları söylüyor:

Bu çalışma bizlere sentetik biyoloji ile evrimsel biyolojiyi bağdaştırarak yaşamın sınırlarını anlamamıza katkı sağlayacak. Böylelikle, astrobiyoloji alanında yaşamın değişik yerlerdeki dağılımı ile ilgili olarak pek çok meseleyi ele alabileceğiz.