Yeni Keşfedilen Tardigrad Türü, Ölümcül UV Radyasyonundan Kurtulmak İçin Flüoresan "Kalkan" Kullanıyor!

Tardigradlar, bilindiği üzere, ekstrem koşullara karşı kendini en iyi savunabilen hayvan gruplarından biridir. Bu ekstrem koşullar arasında hiç de hafife alınmayacak ortamlar yer alır. Antarktika’nın dondurucu soğuğu, volkanik göller ve sıcak su kaynaklarının yakıcı sıcaklığı, Mariana Çukuru’nun yüksek basıncı, kozmik radyasyon gibi çoğu hayvanın ölümü ile sonuçlanabilecek ortamlarda hayatta kalmayı başarırlar. Ne yazık ki, tardigradların olağanüstü stres toleransının arkasındaki moleküler ve hücresel mekanizmalar tam anlamı ile aydınlatılmamıştır.

Fakat son zamanlarda, tardigradların stres toleransına odaklanan moleküler çalışmalarda gözle görülür bir artış söz konusudur. Ramazzottius varieornatus adlı tardigrad türünün genomu üzerinde yakın zamanda yapılan bir analiz, aşırı radyotoleransının ardındaki birkaç potansiyel mekanizmayı ortaya çıkarmıştı. Stres kaynaklı hasarı teşvik eden genlerin az miktarda/yoksun olması ve çeşitli stres kaynaklı hasarları onarmaktan sorumlu gen ailelerinin diğer tardigrad türlerine nazaran genomunda geniş yer kaplaması onu tardigradların dayanıklılık mekanizmalarını araştırmada kullanılabilecek model organizmalardan biri haline getirmektedir.

Ramazzottius varieornatus ayrıca, kültürlenmiş memeli hücrelerine kısmi radyotolerans kazandırabilen, hasar bastırıcı protein (Dsup) adı verilen evrimsel süreç içerisinde özelleşmiş benzersiz bir proteine sahiptir. Başka bir çalışmada ise, Hypsibius exemplaris adlı tardigrad türünde kuruma toleransı için tardigrada özgü yapısal olarak bozuk proteinlerin (TDP'ler) gerekli olduğunu gösterilmiştir. Kuruma sırasında yani “tun” formu sırasında bu proteinlerin ekspresyonu artar ve kristal olmayan amorf katılar oluştururlar. Bu vitrifikasyon süreci, tardigratların kuruma toleransıyla ilişkilendirilmektedir.

Geçtiğimiz günlerde ise tardigradların yepyeni bir dayanıklılık mekanizması keşfedildi. Bu keşif keşfedilen yeni Paramacrobiotus sp.’nin UV altında floresan parlaması ile UV’ye dayanıklılığı arasında bir doğrudan bir bağlantı olduğu üzerineydi.

Keşif, tesadüfen yapıldı. Hindistan Bilim Enstitüsü'ndeki araştırmacılar kampüslerinde su ayılarını zor koşullara maruz bıraktılar. Laboratuvarda mikrop öldürücü bir UV lambası vardı ve bunu su ayıları üzerinde denemeye karar verdiler. Sadece 5 dakika içinde bakteri ve yuvarlak solucanları öldüren, metrekare başına 1 kilojoulelük doz; Hypsibius exemplaris türü tardigradlar için 15 dakika sonra ölümcül oldu ve çoğu 24 saat sonra öldü. Ancak aynı doz, kırmızımsı kahverengi tardigrad türüne verildiğinde hepsi hayatta kaldılar. Dahası, araştırmacılar dozu dört katına çıkardığında, bu tür tardigradların yaklaşık % 60'ının 30 günden fazla yaşadığını gözlemlediler.

Araştırmacılar, Paramacrobiotus cinsine ait olan yeni bir tardigrad türü bulduklarını fark ettiler. Bilim insanları, Hindistan, Bengaluru'da bir beton duvarda yosun içinde yaşarken bulunan yeni türün nasıl hayatta kaldığını anlamak için, floresan mikroskobu ile incelediler. UV ışığı altında kırmızımsı tardigradlar maviye dönüştüler. Araştırmacılar, Biology Letters'da, bu tardigradların derisinin altında bulunan flüoresan pigmentlerin, UV ışığını zararsız mavi ışığa dönüştürdüğünü bildirdiler.^[1] Diğer taraftan, daha az pigment içeren Paramacrobiotus örneği, UV maruziyetinden yaklaşık 20 gün sonra öldü.

Daha sonra, araştırmacılar flüoresan pigmentlerini çıkardılar ve bunları H. exemplaris ve birkaç Caenorhabditis elegans solucanını kaplamak için kullandılar. Flüoresan kalkanlarına sahip olan hayvanlar, kalkanları olmayan hayvanların neredeyse iki katı oranda hayatta kaldılar.

Floresan özellik denizel organizmalarda bol miktarda bulunmasına rağmen, kara hayvanlarında çok yaygın değildir. Daha önce bazı kara hayvanlarında (papağanlar, akrepler, bukalemunlar, kurbağalar ve nematodlar) bildirilmiştir. Floresanların papağanlar gibi kuşlarda yer almasını cinsel seçilim için kazanılmış farklılaşmanın bir ürünü olarak yorumlamanın dışında bu görsel sinyallerin neye yaradığını tam olarak anlayabilmek şuan için söz konusu değildir. Direkt olarak tardigradlara geldiğimizde ise daha öncesinde floresan ışık yayabilen tardigradlar bildirilmiştir, ancak tıpkı papağanlarda olduğu gibi işlevi bilinmemektedir.

Elementy

Yeni keşfedilen Eutardigrade Paramacrobiotus sp.’nin bir saate kadar mikrop öldürücü özelliği bulunan ultraviyole (UV) radyasyona maruz kalan bireylerinde herhangi bir anomali olmadığı gözlemlendi. Bununla da kalmayıp UV’ye maruz bırakılan tardigradların UV ışığı altında floresan renkte parladığı kaydedildi. Hali hazırda keşfedilmiş olan UV’ye dayanıklı tardigradlar arasında yepyeni bir özellikti.

Flüoresan Deneyleri Nasıl Yapıldı?

Paramacrobiotus sp. UV Radyasyonuna Tolerans Deneyi

Tardigradlar aşırı koşullara toleranslarıyla bilindiğinden, Paramacrobiotus sp. birden çok fiziksel strese maruz bırakıldı. Bu streslerin arasından UV’ye dayanıklılık stresi beklenmedik bir sonuca hizmet ettiği için aralarından sıyrılmayı başardı. Yeni keşfedilen tardigratların özellikle UV radyasyonuna dirençli olduğunu gözlemlendi. Peki nasıl?

Tüm Paramacrobiotus sp. bireyleri mikrop öldürücü UV dozuna 10 dakika maruz (0.66 kJ / m²’ye karşılık gelir) kaldığında, kontrol amaçlı yerleştirilen ve UV’ye olan hassasiyeti ile bilinen Hypsibius exemplaris aynı stresten birkaç dakika sonra öldü. Ayrıca, Paramacrobiotus sp. UV radyasyonuna 1 saat maruz kaldıktan sonra (4 kJ / m²'ye karşılık gelir) 30 günden fazla hayatta kalmayı başardı (aşağıdaki şekilde b, c ve d). Hayatta kalmayı başaran tardigradlar araştırmacılar tarafından gün ve gün gözlemlendi. Tıpkı yörünge deneylerinde üremeyi başaran akrabaları gibi Paramacrobiotus sp.’de UV stresinin ardından yumurta vermeye ve bu yumurtalardan sağlıklı bireyler çıkmasını sağladı. Bu gelişme iki nesil boyunca gözlemlendi ve UV’ye maruz kalan Paramacrobitus sp.’lerin hayatta kalmalarını veya üreme yeteneklerini etkilemediği sonucuna varıldı.

The Royal Society Publishing

Floresan Özelliği, Paramacrobiotus sp.'nin UV Radyasyonuna Toleransı İçin Gerekli mi?

Bahsini geçirdiğimiz üzere Paramacrobiotus sp. UV aydınlatması altında güçlü bir floresan özelliği gösterdi. Haliyle bu floresan teste tabii tutulan ve UV radyasyonuna duyarlı olan H. exemplaris'te yoktu. Birkaç paragraf önce bahsettiğimiz Paramacrobiotus sp.'nin yumurtalarında da benzer floresan özelliği gözlemlendi ancak Paramacrobiotus sp.’nin exuvium’unda (bir nevi dış iskeleti) herhangi bir floresan renk gözlemlenmedi. Buda araştırmacılara bu floresan renklenmenin kütikula tabakasında değil de canlı dokularda gerçekleştiği fikrini ortaya attı.

Bu fikri sınamak günümüzde artık çok kolaydı ve sınamak için kolları sıvadılar. Paramacrobiotus sp.’nin doluları lizis (doku parçalayıcı enzim) tamponunda homojenleştirilmesinden sonra elde edilen “özüt” tıpkı bireyin canlı halindeki gibi UV aydınlatması (254 nm ve 365 nm) altında güçlü floresan özelliği gösterdi. Beklenildiği üzere kontrol grubu H. exemplaris'den elde edilen ekstrede floresan yoktu. Araştırmacılar floresan rengi veren bileşiğin yapısını tespit etmek ve bir miktar zorlamak adına bir saat süreyle proteinaz K ile muamele edilmesinden sonra bile bozulmamıştı, bu da floresan bileşiğin bir protein olmadığını düşündürün en büyük ipuçlarından biriydi.

The Royal Society Publishing

Çalışmada bir de yeni keşfedilen Paramacrobiotus sp.’nin daha az pigment sahip olan bir akrabası kullanıldı. Akrabalık derecelerinin tespit edilebilmesi adına çeşitli yöntemler kullanıldı ve durum nispeten oldukça şaşırtıcıydı. Morfolojik özellikler ve ITS2 bölgesinin nükleotid dizisi, daha az pigment barındıran ile yeni keşfedilen pigmentli tardigradların aynı türe ait olduğunu ortaya çıkardı fakat bunlar farklı birer alttür olarak kayda geçti. Yeni türü değerlendirmek için oldukça iyi bir fırsattı ve tüm testlere daha az pigment barındıranlar da katıldı.

İlginç bir şekilde, az pigmente sahip olan Paramacrobiotus sp., UV ışığı altında çok daha az floresan özelliği gösterdi. Beklenildiği üzere bir saat süreyle UV radyasyonuna maruz kaldıklarında, daha az pigmente sahip olan tardigradlar pigmentli olanlara kıyasla önemli ölçüde daha az UV toleransı gösterdi. Tüm daha az pigmente sahip olan Paramacrobiotus sp.’ler UV'ye maruz kaldıktan sonra 20 gün içinde ölürken, pigmentli Paramacrobiotus sp.’ler 30 günden fazla hayatta kaldı. Bu gözlem araştırmacıların zihinlerin yeni tanımlanan Paramacrobiotus sp.'nin zararlı UV radyasyonuna direnmek için yeni bir mekanizma olarak floresanı kullandığını düşündürdü.

The Royal Society Publishing

Paramacrobiotus sp.'nin UV Tolerans Özelliği, UV'ye Duyarlı H. exemplaris ve C. elegans'a Aktarılabilir mi?

Araştırmacılar yeni pigmentli tardigradlarının UV toleransının UV'ye duyarlı H. exemplaris'e aktarılıp aktarılamayacağını test etmek istediler. Bunun için 300 adet canlı Paramacrobiotus sp. kullandılar. Küçük bir homojenleştirme işleminden sonra faz oluşturulup süpernatant (bir çözeltinin çöktürme işleminde en üst kısımda kalan yerin adı) kısmı alındı çünkü bu kısım daha önceki testte UV ışığı altında floresan renk vermişti. Bu kısım içerisinde yer alan floresan özütü ile UV'ye duyarlı H. exemplaris kaplandı ve 15 dakika süreyle UV radyasyonuna maruz bırakıldı (1 kJ / m²'ye karşılık gelir). Birde çalışmanın tutarlı olabilmesi adına su ile kaplı H. exemplaris kontrol grubu hazırlandı (Şekil 5B). İlginç bir şekilde floresan özü ile kaplanan H. exemplaris tardigradlar UV radyasyonuna kısmi tolerans gösterdi.

Çalışmayı farklı kollar ile desteklemeyi sürdürmek isteyen araştırmacılar floresan özellik gösteren tardigradın aynı özütünü alıp özel bir “ağırtma” yöntemi ile floresanlarından arındırarak H. exemplaris’e verildiğinde ve aynı şekilde daha az pigmente sahip Paramacrobiotus sp. özütlerini H. exemplaris’e verildiğinde UV toleransı göstermedi. Dikkat çekici bir şekilde, Yeni keşfedilen Paramacrobiotus sp.'nin floresan özütü, bir nematod olan C. elegans üzerinde kısmi UV direnci sağlayabilir. Bu sonuçlar ışığında araştırmacılar Paramacrobiotus sp. floresan özelliğinin UV toleransından sorumlu olduğunu düşünmektedir.

The Royal Society Publishing

Paramacrobiotus sp.'nin Floresan Bileşiği Hakkında Hangi Bilgilere Ulaşıldı?

Yeni tanımlanan tardigrad türünden floresan bileşiği çıkarmak için metanol kullanıldı. Yapılan işlemi kontrol etmek için test edildi ve testin sonucunda Paramacrobiotus sp.'den elde edilen metanolik özüt UV ışığı altında floresan iken, H. exemplaris'ten elde edilen özütün floresan olmadığı gözlemlendi. Daha sonra Paramacrobiotus sp.'nin metanolik özütünü, floresan bileşiği izole etmek için Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisine (HPLC) tabi tutuldu. HPLC cihazında 6 dakika civarında Paramacrobiotus sp.'den elde edilen özütte benzersiz bir zirve (350 nm'de soğurma) gözlemlendi, bu zirve noktası UV'ye duyarlı H. exemplaris'den elde edilen özütte yoktu. Tekrar kontrol amacıyla zirve veren bileşik UV ışığı altında test edildi ve floresan özelliğini sergiledi. Beklendiği gibi, daha az pigmente sahip Paramacrobiotus sp.'nin HPLC profilinde 5 ila 6 dakika arasındaki floresan zirvesi, pigmentli Paramacrobiotus sp.'nin HPLC profilindekine kıyasla çok daha küçüktü. Bir spektroflorometre (bir numunedeki konsantrasyonları ve kimyasal bileşikler hakkında bilgi sağlamak için bazı bileşiklerin floresan özelliklerinden yararlanan bir araç) kullanılarak yapılan analiz, bu flüoresan bileşiğin 370 nm'de eksitasyon maksimuma (λex) ve 420-430 nm'de emisyon maksimuma (λem) sahip olduğunu gösterdi. Bu sonuçlara ek olarak floresan özellik 250 ila 370 nm arasındaki geniş bir UV spektrum aralığında gözlendi.

Bu deneyler, Paramacrobiotus sp.'de UV toleransından floresanın sorumlu olduğunu göstermektedir. Böylece, floresan pigment, bu tardigradları ölümcül etkilerinden koruyan UV radyasyonuna karşı bir kalkan görevi görür. Paramacrobiotus sp, muhtemelen izole edildiği yerden tropikal güney Hindistan'ın yüksek UV radyasyonuna karşı koymak için evrimsel süreçte bu mekanizmayı geliştirdi. Bu tardigradların kendilerini UV radyasyonunun neden olduğu hasardan korumak için başka mekanizmalara sahip olması mümkündür. Örnek olarak diğer çalışmalarda da sıklıkla bahsedilen “güçlü” bir DNA onarım mekanizması. Bunu tespit edebilmek adına genom dizisinin analizi daha fazla bilgi sağlayacaktır.

UV’ye Direnç Neden Bu Kadar Önemliydi?

UV radyasyonunun ölümcül etkileri canlılığın ortaya çıkışından günümüze değin karşılaştıkları abiyotik faktörlerden birisidir. Bu abiyotik faktör diğerlerinin aksine öncelikle DNA sarmalında meydana getirdiği ölümcül hasarlardan dolayı canlılığın en büyük problemlerinden birisidir. UV’ye zaman içerisinde maruz kalma genomik DNA'da replikasyon ve transkripsiyonu etkileyen siklobütan-pirimidin dimerler (CPD'ler) ve 6-4 fotoürünler (pirimidin eklentileri) oluşmasu ile sonuçlanır. Ayrıca ölümcül mutajenik etkilere neden olabilir ve anomalilere sebebiyet verebilir. UV radyasyonun canlılara dezavantaj yaratan bir diğer özelliği ise reaktif oksijen türleri üreterek DNA'ya dolaylı olarak zarar vermeleridir. Fakat canlılar evrimsel süreç içerisinde UV radyasyonunun üstesinden gelmek, ölümcül etkilerini azaltabilmek adına çoklu mekanizmalar kullanmışlardır.

Deinococcus radiodurans, yüksek iyonlaştırıcı radyasyona ve UV radyasyonuna karşı direncinden sorumlu olan etkili bir DNA onarım yolu geliştirmiştir. UV radyasyonunu emen pigmentlerin / bileşiklerin üretimi, bakterilerden memelilere kadar organizmalarda yaygın olarak bulunan başka bir mekanizmadır. Siyanobakteriler ve diğer mikroorganizmalar scytonemin, miyosporin ve ilgili amino asitler gibi UV emici bileşikler üretir. Memelilerde melanin ve hipopotamdaki hipposudorik asit (kırmızı ter), UV radyasyonunu emen diğer pigment örnekleridir. Yapılan bu çalışma ile UV-koruma mekanizmaları listesine tardigrade Paramacrobiotus sp.’yi de ekler. Elbette floresan bileşiğin kimyasal bileşimi çok daha detaylandırılabilmesi için araştırılmayı beklemektedir.

Uzmanlar Ne Söylüyor?

Evrim Ağacı YouTube kanalında yayınladığımız tardigrad belgeselimizde de konuk olarak ağırladığımız Sayın Kaczmarek konuyla ilgili olarak ekibin UV radyasyonuna karşı korumadan sorumlu belirli bir maddeyi tanımlamadığına dikkat çekerek, şöyle diyor:

Bu tür bir korumanın - potansiyel olarak - koruyucu proteinler dışında flüoresan bir maddeye indirilemeyebileceğini belirtiyor. Ayrıca, incelenen türlerin karakteristik bir özelliği mi yoksa doğal ortamlarında yüksek dozlarda UV radyasyonuna maruz kalan tardigradların çoğunluğu için mi olduğunu henüz bilmiyoruz.

Bilim insanları, Hindistan'da rastlanan bu türde nasıl böyle bir özelliğin evrimleştiği hakkında bazı fikirlere sahipler. Güney Hindistan'da sıcak yaz günlerinde tipik olan yüksek UV dozlarını tolere etmenin bir yolu olarak, tardigradlarda flüoresanın evrimleştiğini düşünüyorlar.