Tardigradlar, Mars'ta Tarım Yapmamızı Sağlayabilir!

Hidrobiyoloji ve tardigrad serimizde sıklıkla bahsettiğimiz tardigradların dayanıklılık mekanizmaları başka bir canlıya aktarılsaydı neler olurdu? Aslında daha önceden bu konuyla ilgili bir yazı yayınlamıştık; ancak yeni bulgular, türümüzün Dünya-dışı gezegenlere ve sistemlere açılmasıyla ilgili çok önemli ve potansiyel kullanım alanlarına işaret ediyor.^[1] Bu yazıda, tardigradların Mars'ta tarım yapmamızı kolaylaştırma ihtimaline bakacağız.

2016 senesinde Japonya'daki araştırmacılar tarafından Ramazzotius varieornatus türünde keşfedilen, tardigradlara özgü Dsup proteini (İng: "damage suppressor", Tr: "hasar önleyici protein") üzerinde yapılan son çalışmalar ile, bazı tardigrad türlerinin DNA'larını histon proteinleri ile birlikte sarmakta ve çevreden gelen zararlı etkilere yönelik koruma sağlamakta olduğu gösterilmiştir. Çevresel streslere karşı dayanıklılığı sağlayan asıl mekanizmanın nasıl işlediği henüz bilinmese de Dsup proteininin modellemesi ve çeşitli analizleri gerçekleştirilmiştir.

Dsup proteininin potansiyelini fark eden araştırmacılar, keşifleri sadece yayınlamak ile kalmayıp ilgili gen bölgelerini insan böbrek hücrelerine aktarıp laboratuvar şartlarında üretilen böbrek hücre kültürlerinde radyasyona bağlı DNA hasarını gözle görülür bir şekilde azaltan bir etkinin oluştuğunu gözlemlediler. Haliyle bu sonuç, tardigradların pek çok farklı alanda kullanılabilir bir gen havuzuna sahip olduğunu bizlere ispatlar nitelikteydi.

New Scientist

Tüm Canlılığın Ortak Sorunu: DNA Hasarı

Bilindiği üzere bir canlı “doğduğu” andan itibaren, yaşamının sonlanacağı ana kadar sayısız çevresel stres ile karşılaşır. Bu streslerin arasında ön plana çıkanlardan birisi elbette iyonize radyasyondur. Dünya üzerindeki her canlı miktarı değişken olmasına rağmen her an her saniye radyasyona maruz kalmaktadır. Peki bu durum canlılığı nasıl etkilemektedir? Kaçınılmaz bir şekilde DNA hasarı oluşturarak.

Elbette evrimsel süreç içerisinde canlılığın büyük bir kısmı bu zararlı etkinin sonuçlarını en aza indirebilmek adına çeşitli moleküler araçlar ve biyolojik yolaklar geliştirdiler. Bu sayede çok daha az hasar almayı ve/veya hasarı çok daha hızlı onarmayı sağladılar. Örneğin, güneşten gelen ultraviyole (UV) ışık, flavonoid pigmentler tarafından bitkiler için gelişim sinyalleri olarak algılanır. Ancak UV radyasyonu, DNA zincirlerinde DNA replikasyonunu ve transkripsiyonunu engelleyen siklobutan pirimidin dimerleri de oluşturabilir. Öte yandan bitkiler, oluşan bu hatalı dimeri onarmak ve UV ile indüklenen DNA hasarını tersine çevirmek için bir enzim olan fotolizaz yoluyla fotoreaktivasyon olarak bilinen doğrudan DNA hasarı onarım mekanizması geliştirmişlerdir.

Mutasyonlar Nasıl Oluşur?

Konuyu daha iyi kavramak adına örneklerimizi artıracak olursak: İyonlaştırıcı radyasyon (IR), spesifik olmayan DNA lezyonlarına neden olan başka bir DNA hasarı kaynağı olabilir. IR, en yaygın olarak suyla etkileşime girerek çeşitli reaktif oksijen türleri (ROS) oluşturur. Bu hidroksil radikalleri, DNA'nın fosfat omurgasına saldırarak tek iplikli kırılmalara (SSB) neden olur. ROS ayrıca DNA replikasyonu sırasında baz oksidasyonuna ve yanlış eşleşmeye yol açar. Doğal olarak SSB, hücredeki DNA ligaz ile onarılabilir. Bununla birlikte, IR veya UV DNA çift sarmallı kırılmalar (DSB) oluşturduğunda, DNA fragmanlarının rastgele füzyonları genellikle rastgele rekombinasyona yol açar ve bu da nükleotit sekans değişikliklerine (mutasyon) neden olur.

Sensi Seeds

İnsan yapımı birçok kimyasal da DNA hasarına neden olabilir. Alkile edici ajan, etilmetan sülfonat (EMS), bitkilerde nokta mutasyonları oluşturmak için genetik araştırmalarda yaygın olarak kullanılır. EMS ayrıca baz eşleşmesini engelleyebilir ve DNA replikasyonu ve gen ekspresyonu süreçlerini bozabilir. Başka bir güçlü genomutajenik bileşik bleomisindir. Hücrede aktive olur ve DNA'ya bağlanır ve G-C ve A-T sekanslarında pirimidinlerde bağları keserek tek veya çift sarmallı kırılmalara neden olur. Bu nedenle bleomisin, iyonlaştırıcı radyasyonu ve karşılık gelen DNA onarım yollarını simüle etmek için sıklıkla kullanılan bir molekül olmasının yanı sıra çeşitli kanser türleri için bir kemoterapi ilacı olarak kullanılmaktadır. Tardigradlar ise sahip olduğu Dsup proteini ve MRE11 gibi DNA onarımında görev alan çeşitli gen bölgeleri ile iki kulvarda da önemli donanımlara sahiptirler.

Tardigradların ilgili gen bölgelerinin oldukça yüksek bir potansiyel barındırdığının farkına varan araştırmacılar, bitkilerde Dsup geninin ifadesinin benzer şekilde DNA hasarına karşı direnci artırıp artırmayacağını ve DNA hasarı tepkisi ve onarımını içeren endojen genlerin ifadesini etkileyip etkilemeyeceğini araştırmaya koyuldular. Bitkileri seçmelerinin en temel nedeni hala tarım sektörünün oldukça önemli bir yer tutmasının yanı sıra iklim değişikliklerinin ve insan uzay araştırmalarının geleceği için bitkilere daha stresli ortamlara karşı tolerans kazandırmaktı.

Bu amaç doğrultusunda araştırmacılar kodonla optimize edilmiş tardigrad Dsup genini ifade eden tütün bitkileri oluşturdular ve oluşturdukları bu bitkileri mutajenik kimyasallar, ultraviyole (UV) ve iyonlaştırıcı radyasyonlara maruz bırakarak tepkilerini incelediler.

Tardigradlar, Gelecekte Başvurabileceğimiz Genetik Kaynaklardan Biri Olabilir Mi?

Araştırmacılar, tardigradların Hasar Bastırıcı (Dsup) geni aktarılmış insan hücrelerinin X-ışınına maruz bırakıldıktan sonra gözlemlenen koruyucu etkiye tutarlı bir sonuca varmışlardı. Yapılan çalışmada ilk kez, Dsup proteininin tütün bitkileri üzerindeki ifadesi sayesinde, DNA hasarı oluşturan genomutajenler ve radyasyon gibi DNA'ya zarar veren strese karşı koruma sağladığı görüldü. Dsup eksprese eden bitkiler, DNA'ya zarar veren reaktif EMS varlığında kontrol grubuna nazaran daha iyi büyüdü, birçok endojen genin transkripsiyon modellerini değiştirdi ve aynı şekilde DNA'ya zarar veren diğer aşamalardan da geçen hücrelerin çekirdeklerinde korunma sağladı.

Genomutagenik muameleler altında Dsup bitkileri ve kontrol bitkileri, DNA hasarı tepkilerini içeren çeşitli endojen genlerin farklı transkripsiyon modellerini sergiledi. Gözlemler sonucunda Dsup eksprese eden bitkilerde daha az çift sarmallı kırılmaya (DSB) rastlandı. Öte yandan, DNA'daki tek sarmallı kırılma (SSB) ile aktive edilen gen ATR (Ataksi Telangiectasia ve Rad-3 ile ilgili), Dsup bitkilerinde dört farklı maruziyete karşı (EMS, bleomisin, UV-C ve X-ışını) DNA hasarı yukarı regülasyon gösterdi. Bu, genomik zarar verici strese yanıt olarak Dsup ekspresyonunun gelişmiş bir SSB sinyali ile ilişkisini yansıtabilecek bir sonuçtu.

Spinger

Aktif DNA onarım sürecinin bir sonucu olarak, Dsup aktarılmış tütün bitkileri DNA hasarından kaynaklanan zararlı etkiyi azaltmayı başardılar. Bununla birlikte, tardigrad Dsup'un hücrede nasıl çalıştığı hakkında çok az şey bilindiğinden, Dsup proteininin etkilerinin bitki genomları üzerindeki yorumlarının çoğu spekülatif kalmaktadır. DNA hasarı tespiti ve onarımı için farklı yollarda yer alan birçok genin, Dsup geninin varlığından etkilenmiş olması bitkilerin genomutajenik strese yanıtında Dsup'un pleiotropik (bir genin, çoklu fenotipik özellikler üzerindeki genetik etkisini tanımlar) bir rolünü göstermektedir.

DNA Hasarını Nasıl Tespit Ettiler?

Burada karşımıza tek hücreli jel elektroforez testi veya bir diğer adı ile kuyruklu yıldız testi çıkıyor. Bu test DNA parçalarının elektrik akımı doğrultusunda hücreden çıkarak ilerlemesi (kuyruk oluşturması) ilkesine dayanır. Çevre kirliliği veya genotoksik ajanlara maruz kalan organizmaların hücrelerinde bulunan genetik materyal bu maruziyetten etkilenebilir ve DNA kırıkları meydana gelebilir. Meydana gelen DNA kırıkları bu metot kullanılarak gözlenebilmektedir. Bu yöntem genotoksik ve karsinojenik maddelerin genetik materyal üzerindeki etkisini ortaya çıkarmaktadır.

Yukarıda bahsettiğimiz çalışmamızda in situ flüoresan boyama ve mikroskobik görüntüleme ile birlikte izole edilmiş çekirdek veya hücrelerin farklı pH değerinde jel elektroforezinde çalıştırılması, çekirdekteki tek sarmallı ve çift sarmallı DNA kırılmaları, eksik eksizyon gibi çeşitli DNA hasarlarının ayırt edilmesini ve tespit edilmesini sağlar. Jel elektroforezi sırasında çekirdekten ve hücreden DNA göçü yaşanır ise kuyruklu yıldız şeklinde bir görüntü oluşturur; bu görüntünün boyutu ve şekli, DNA hasarının boyutu ile ilişkilendirmek için görselleştirilebilir ve ölçülebilir. En basit yorumlamada, bir kuyruklu yıldızın kuyruğu ne kadar az veya kısa olursa, DNA hasarı o kadar az ve uzun olana göre nükleer genomunu çok daha iyi korumuştur.

Spinger

Bu çalışmada da, insan kültürlerinde rapor edildiği gibi, tardigrad Dsup geninin ekspresyonunun bitkileri DNA hasarına karşı koruyup korumadığını niteliksel olarak değerlendirmek için kuyruklu yıldız testini kullanılmıştır. Kuyruklu yıldız tahlil sonuçları, Dsup eksprese eden bitkilerde DNA hasarının azaltılmasına yönelik kanıtlar göstermiştir. Hem UV-C hem de X-ışınına maruz bırakılan Dsup bitki hücrelerinde daha az DNA hasarı yani DNA "kuyruğunun" daha yavaş hareketine yol açtığı fikriyle tutarlı olarak, kuyruk hareketinde bir azalma gösterdi. Dsup bitkilerinde işlemlerden sonra gözlemlenen biraz genişlemiş kuyruklu yıldız “başı”, daha sağlam DNA ve çekirdeklerde daha az hasarın başka bir göstergesi olabilecek konumdadır. Sonuç olarak, Dsup bitkilerinin radyasyon işlemlerine tepkisi, tardigrad Dsup proteininin DNA'yı parçalanma ve lezyonlardan koruduğu fikrini desteklemektedir.

Bu tür çalışmalar arttıkça aynı gezegeni paylaştığımız yakın yada uzak akrabalarımızın etkileyici yeteneklerinin bir yenisi ile karşı karşıya geliyoruz. Fakat bu tür çalışmaların yapılabilmesi için öncelikle mevcut faunanın, floranın ve mikrobiyotanın ortaya konulması gerekmektedir.