İlk proteinlerden yaşamın kökenine yolculuk
İlk proteinler nasıldı ve neye benziyordu? Geçtiğimiz ay PNAS dergisinde yayımlanan bir çalışmada araştırmacılar atasal proteinlerin dizilerini tahmin ettiler. Bu çalışmanın sonucunda ise ilk proteinlerin RNA ile birlikte hücreleri oluşturmuş olabileceğini ileri sürüyorlar.
[BAA-Biyolojik Hareket ve Evrim]
Yaşamın nasıl ortaya çıktığı ile ilgili çalışmalar devam ederken bu konudaki hipotezleri iki temel başlık altında toplayabiliriz: metabolizma mı önce vardı yoksa genetik bilgiyi aktarıcı moleküller mi? Metabolizmanın önce var olduğunu savunanlar, günümüzdeki organik moleküllerin kendi sürekliliğini sağlayabilen kimyasal yolakların devamında evrilmiş olabileceğini savunurken genetik bilginin önce geldiğini savunanlar, RNA temelli bir dünya görüşünü ortaya koyuyor. RNA’nın hem genetik bilgiyi taşıması, hem kendini kopyalayabildiği basit bir tek zincirli yapıya sahip olması, hem de kimyasal tepkimelerde görev alması sebebiyle RNA-dünyası görüşü yaygın olarak kabul edilse de hâlâ kesin bir kanıya varmak mümkün değil. Yaşamın kökenine dair yapılan çalışmaların bir diğer merak konusuysa ilk proteinlerin nasıl ortaya çıktığı.
Proteinler, hücrenin en önemli yapı taşlarından biridir. Hücre içindeki tepkimeleri hızlandıran enzimlerden, hücre içi ve dışındaki haberleşmeyi sağlayan sinyal iletimine kadar hücrede meydana gelen hemen her aşamada proteinler görev alırlar. Ancak, ilk proteinlerin hücrenin kendisinden de önce oluştuğu tahmin ediliyor. Günümüzde proteinler, 20 amino asitten oluşuyor ve her amino asit protein yapısında önemli bir yere sahip. Ancak, ilk proteinlerin nasıl ortaya çıktığı düşünüldüğünde bir paradoksla karşı karşıya kalıyoruz. Çünkü, proteinleri oluşturan amino asitlerin üretilmesinde de yine proteinler rol oynuyor. Bu da yumurta mı tavuktan çıkar yoksa tavuk mu yumurtadan çıkar sorusuna benzer bir durumu karşımıza çıkarıyor.
İlk proteinlerdeki kayıp aminoasitler
Bilim insanları, ilk proteinlerin “peptit” adı verilen kısa protein parçaları şeklinde olduğunu düşünmekte. Bu peptitlerin, dünyanın ilk oluşum zamanlarındaki ilkel çorba (inorganik moleküllerin karışımı için yapılan benzetme) içindeki birçok amino asidin kendiliğinden birleşmesi sonucu ortaya çıktığı, daha sonra bu kısa peptitlerin de birbiriyle bağ kurarak zaman içinde fonksiyon gösterebilen ilk proteinleri oluşturduğu tahmin ediliyor. Amino asitlerin hiçbir enzim yada protein olmadan kendiliğinden oluşabildiği daha önce Miller-Urey deneylerinde gösterilmişti. Miller-Urey deneylerinde, dünyanın ilk zamanlarında var olduğu tahmin edilen çevresel koşullar laboratuvar ortamında oluşturulmuş ve elektrotlar sayesinde yıldırım benzeri enerji kaynakları verilerek kimyasal bir karışım içinde bazı amino asitlerin oluştuğu gözlemlenmişti.
Ancak ilk proteinlerin oluşumunu inceleyen bu yeni çalışmanın araştırmacıları, Miller-Urey deneylerinde ve sonrasında gelen benzer deneylerde arjinin (arginine) ve lizin (lysine) adı verilen iki amino asidin eksikliğine dikkat çektiler. Bu iki amino asit, modern proteinlerde oldukça önemli. Çünkü bu iki amino asit pozitif yüke sahip olduklarından RNA ve DNA gibi negatif yüklü moleküllerle etkileşime girebiliyorlar. RNA-dünyası hipotezine göre RNA, hem bilgi taşıyan hem kendini kopyalayabilen moleküllerin ilki olarak düşünülüyor. Bu nedenle negatif yüklü RNA’nın pozitif yüklü amino asitlerle etkileşime girmesi, hücresel yapının ortaya çıkmasında önemli bir basamak olarak görülüyor.
Öte yandan, Miller-Urey deneylerinde ornitin (ornithine) adı verilen tek bir pozitif yüklü amino asit görülmüştü. Ornitin günümüzde arjinin üretimindeki ara basamaklarında görülen bir amino asit ancak proteinlerin yapı taşında görülmüyor. Bu sebeple yeni araştırmayı yapan bilim insanları şu soruya odaklandılar: Ornitin ilk proteinlerin yapı taşında bulunan kayıp amino asit olabilir miydi?
Bunu test etmek amacıyla, DNA’ya ve RNA’ya bağlanan basit bir protein ailesiyle deneylere başlandı. Bu proteinin modern organizmalardaki dizileri toplandı ve protein dizileri filogenetik ağaç yöntemleriyle karşılaştırılıp atasal protein dizisi tahmin edildi. Tahmin edilen atasal proteinin 64 amino asidinden 14’ünün arjinin veya lizin olması bu atasal proteinin pozitif yüklü amino asitlerle zengin olduğu gösteriyordu. Araştırmacılar daha sonra, bu pozitif yüklü amino asitleri ornitin ile değiştirerek sentetik proteinler ürettiler.
Ornitin içeren proteinler, DNA’ya zayıf bir şekilde bağlanıyordu. Ancak araştırmacılar ornitini arjinine çeviren bir kimyasal tepkimeyi keşfettiler. Ve bu kimyasal tepkimeler dünyanın erken zamanlarında tahmin edilen koşullar altında gerçekleşebiliyordu. Daha çok ornitini arjinine çevrildikçe, proteinler daha çok modern proteinlere benzemeye başladı ve DNA’ya da daha güçlü bir şekilde bağlanmaya başladılar.
Bilim insanları ayrıca RNA’nın varlığında, bu atasal peptit formunun faz ayrımıyla (su ve yağın ayrışması gibi) bağlantılı olduğunu keşfettiler. Bu nedenle araştırmacılar, bu proteinlerin RNA ile birlikte ilk hücre yapılarını oluşturabileceğini ve sonrasında yaşamın günümüze yani modern hücrelerin evrimine yol açabileceğini düşünüyor.
Kaynaklar:
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200622095023.htm
Liam M. Longo, Dragana Despotović, Orit Weil-Ktorza, Matthew J. Walker, Jagoda Jabłońska, Yael Fridmann-Sirkis, Gabriele Varani, Norman Metanis, Dan S. Tawfik. Primordial emergence of a nucleic acid-binding protein via phase separation and statistical ornithine-to-arginine conversion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202001989 DOI: 10.1073/pnas.2001989117.