Urzimler: Cansızlığın Canlılığa Evrimindeki Atasal ve İlkel Enzimler

Dünyada yaşamdan önce moleküller vardı. Bir ilkel çorba. Bir noktada, bazı özelleşmiş moleküller çoğalmaya başladı. Bu kendi kendine çoğalma, bilim insanlarının da birliğe vardığı şekilde, ilk organizmayı oluşturacak biyokimyasal süreçleri başlatmış oldu. Fakat nasıl oldu da bu moleküller kendilerini eşlemeye başladı? İşte bilimin uzun süreli gizemlerinden birisi de bu...

Şuan UNC Tıp Okulu’ndan biyokimyacı Charles Carter, 13 Eylül 2013'te, Journal of Biological Chemistry’nde çıkan bir araştırması ile hayatın nasıl başladığına merak uyandırıcı bir açıklama öneriyor. Carter’ın çalışması, ekip arkadaşlarının Dünya’da hayatın oluşmasında hayati öneme sahip olduğu düşünülen eski protein enzimlerini laboratuvarda yeniden oluşturma deneylerine dayanıyor. Carter’ın buldukları, Ribonükleik Asit’in (RNA) küçük proteinlerin yardımı olmadan kendini eşleyerek hayatın başlangıcına yol açtığını ileri süren teorinin karşısında duruyor. 

1980’lerin başlarında bir tür RNA enzimi olan ve tepkimeleri hızlandırıcı etkisi olan ribozim bulundu. Bu RNA’nın hem canlının planı olduğunun hem de içerisinde bulunan planı işleme koyabilen kimyasal bir katalizör olduğunun kanıtıydı. Bu da, RNA’nın tek başına hayatın başlangıcını denizden yükselttiğini öne süren, “RNA Dünyası” hipotezini ortaya çıkarttı. Bu bulgular, RNA'nın tek başına, denizel moleküllerden canlılığın yükselişini sağlayacak süreci tetiklediğini ileri sürüyordu.

Fakat bu hipotezin doğru olabilmesi için, antik RNA katalizörlerinin, modern enzimlerle neredeyse eşit düzeyde isabetli olarak RNA parçalarını kopyalayabilmesi gerekiyordu. Bu ise zor bir iştir; sadece rastgele oluşan RNA molekülleri ile modern seviyeye ulaşabilecek bir evrimleşme sürecinin evrenin yaşından daha fazla tutacağını hesaplayan bilim insanları bulunuyor. Dünya’nın yaşının 4.5 milyar yıl olduğunu düşünürsek, sadece RNA tarafından yönetilen canlı sistemlerinin üremesi ve evrimleşmesi ya yeterince hızlı ya da yeterince isabetli olamazdı ve bu sebeple günümüzdeki karmaşıklığa ulaşılamazdı. Carter şöyle diyor:

RNA Dünyası hipotezi son derece olanaksızdır. Yaşamın böyle başlaması sonsuza kadar sürerdi.

Ayrıca ribozimlerin bile milyarlarca yıl önce oluştuğuna dair kesin kanıtlar yok. RNA Dünyası hipotezini doğrulamak için, bilim insanları 21. Yüzyıl teknolojisini kullanarak katalizör özelliğine sahip ribozimler üretiyor. Carter şöyle anlatıyor:

Üretilen bu sentetik ribozimlerin çoğu, bugüne kadar canlı sistemlerden izole edilenler ile çok az benzerlik gösteriyor.

40 yılını biyokimyaya harcayan Carter farklı bir yaklaşımı ele aldı. Onun deneyleri, biyoloji alanındaki fikirbirliğinin derinliklerine gömülü haldedir. Genetik kodlarımız, modern enzimlerin iki süper familyası tarafından çevrilmektedir. Carter’ın takımı, bu iki süper familyanın yapısının nasıl sıralandığını anlamak için bu familyaların 3 boyutlu versiyonunu oluşturup bir arada inceledi. Carter, tüm enzimlerin, "moleküler fosil" olarak bilinen ve onun deyimiyle urzimlerden (urzyme) üretilen temel yapıyla hemen hemen aynı temel yapıyı taşıdığını buldu. Urzim sözcüğündeki "ur" öneki "en erken" veya "orijinal" anlamına geliyor. Diğer parçaların, evrim süreci işledikçe ortaya çıktığını söylüyor. Bu iki urzim, bilim insanlarına milyarlarca yıl önce Dünya’yı kaplayan eski enzimler düşüncesine oldukça yakın. Carter bunu şöyle açıklıyor:

Enzimin temel yapısını anladıktan sonra, onu kopyaladık ve ifade ettik. Ardından, eğer sabit hale getirip getiremediğimizi ve herhangi bir biyolojik aktivitesi olup olmadığını görmek istedik.

Her iki urzim de genetik kodları çevirmek için gerekli olan iki reaksiyonu da çok iyi bir şekilde hızlandırıyor. Carter bunu şöyle anlatıyor:

Bizim sonuçlarımız, organizmalardan önce çok aktif olan protein enzimlerin var olduğunu gösteriyor ve bu enzimler, büyük oranda bizim yaptığımız urzimlere benziyordu.

Ayrıca bulgular, urzimlerin peptit denen, daha da ilkel atalardan evrimleştiğini gösteriyor. Zaman ilerledikçe bu peptitler RNA ile karşılıklı evrimsel bir süreçten geçerek daha karmaşık yaşam formlarını doğurdular. Bu “Peptit-RNA dünyası” senaryosuna göre, RNA yaşam hakkındaki talimatları içerirken, peptitler ise bu talimatları taşıyan kimyasal reaksiyonları hızlandırmıştır. Carter bunu şöyle anlatıyor:

Dünya'da yaşam başlamadan önce urzimlerin protein sentezi reaksiyonlarını başlattığını düşünmek çok heyecan verici. Ben bir insanın eğer ki hayatın başlangıcıyla ilgileniyor ise, bundan daha heyecan verici bir sonuç üzerinde çalışabileceğini hayal edemiyorum!

Çalışma, bu yapıların kendilerini tam olarak nasıl kopyalamayı başardıkları sorusunu açık bırakıyor, ne RNA Dünyası ne de Peptit-RNA Dünyası hipotezleri bunu henüz tam olarak açıklayamadı. Carter, çalışmalarını RNA moleküllerini birleştiren bir enzim olan polimeraz enzimini de içine alan şekilde geliştiriyor. İşte bu soruya cevap veren bir urzim bulmak soruyu cevaplandırmaya yarayabilir.