Moleküler - WordPress.com

biyoloji
Alman biyolog Ernst Haeckel’in 1800’lerde çizdiği “hayat ağacı”ndan bugüne evrim çalışmaları çok yol katetti.
Dr. Betül Kaçar-Arslan, Georgia Teknoloji Enstitüsü
Moleküler
zaman makineleri
Hayat en baştan tekrar başlasaydı yine aynı
şekilde mi evrilirdi, yoksa bambaşka bir
yönelim mi gösterirdi? Gelişen tekniklerle
artık milyonlarca yıl öncesindeki molekülleri
diriltmek ve cevaba ulaşmak mümkün.
E
vrimin ne olduğu ve ne olmadığı, bilimsel içerikli olsun olmasın
birçok tartışmanın gündemini oluşturuyor. Kafaların karıştığı
noktada evrimin aslında ne anlama geldiğini hatırlamak için bu
kelimenin sözlük anlamına bakmak gerek. Evrim; zaman içinde,
birdenbire olmayan, kesintisiz, niteliksel ve niceliksel bir gelişme sürecidir.
Evrim gelişmektir. Gelişim, zaman içerisinde ilerlemeyle gerçekleşir.
Peki, kavramsal olarak “ilerlemek” anlamına gelen evrim hep aynı
sonuçları mı doğurur? Hayat en baştan tekrar başlasaydı yine aynı şekilde
mi evrilirdi? Yoksa bambaşka bir yönelim mi gösterirdi?
Evrim sürecini ve hayatın temellerini anlamak isteyen biz biliminsanları
için evrim olgusunun rastlantısal olup olmadığı heyecan verici bir tartışma
konusu. Neyse ki, hayatın kendisi gibi bilim ve bilimsel metodoloji de
aynı kalmıyor; ilerliyor, değişiyor, gelişiyor. Gelişen yöntemler bize daha
karmaşık soruları, daha yalın ve kolayca çözmek için yeni olanaklar
sunuyor.
Soyoluş (filogeni) analiziyle zaman içinde yolculuk yaparak moleküllerin
milyarlarca yıl önceki hallerine ulaşmak, bu yöntemlerden biri. Nasıl ki
bir filolog günümüzde artık kullanılmayan bir dili anlamak için modern
dillerden yola çıkarak eski alfabeleri oluşturmaya çalışıyorsa, soyoluş ağacı
da günümüze ait moleküllerin genetik alfabesinden, yani DNA’sından yola
çıkıp zaman içinde geriye giderek, aynı molekülün tarih içindeki yapılarına
ulaşmaya çalışır. >>>
110 NTV B‹L‹M | Kasım 2009
Kasım 2009 | NTV B‹L‹M 111
biyoloji
Zaman içindeki değişimleri
incelemek için –şimdilik– bir
zaman makinesi olmadığından,
bilgisayarda geliştirilen bir
yöntemle milyonlarca yıl öncesine
gidip, herhangi bir dönemdeki
herhangi bir molekülün (ister
protein, ister DNA) neye
benzediğini keşfetmek de tatmin
edici sonuçlar verebilir. Ekim
2009’da Nature dergisinde
yayımlanan bir makale, bu tekniğin
ne kadar ileri (aslında ne kadar
geri!) gidebileceğini gösteriyor.
Joe Thornton ve ekibi, en eski
moleküler yapılardan biri olan ve
kortizol hormonuna bağlanarak
insanların strese karşı savunmasını
harekete geçiren bir steroid
(glukokortikoid) reseptörünü
seçerek, bu reseptörün 450 ila 410
milyon yıl öncesine ait iki halini
soyoluş analizi ile oluşturdu.
Deneylerin sonuçlarına
göre, birden fazla hormona
bağlanabilen 450 milyon yıl
öncesine ait reseptör, 40 milyon
Lenski’nin petri kabında büyüttüğü
bakteri kültürleri.
yılda özelleşerek bir tek kortizol
hormonuna bağlanmaya
başlamıştı. Bu reseptörler
arasında sadece birkaç amino
asit farkı bulunduğunu gören
araştırmacılar, daha sonra
mutasyon yöntemiyle bu iki yapıyı
birbirine benzetmeye çalıştılar.
450 milyon yaşındaki reseptör,
amino asitleri değiştirilerek tıpkı
40 milyon yıl sonraki reseptör
gibi özelleştirilebilse de, aksi
gerçekleştirilemiyordu.
Geri dönüşü olmayan
evrim
Peki A noktasından B noktasına
giden proteinin, B noktasından
A noktasına dönüşü neden çok
güç? Thornton’a göre bu sorunun
cevabı kısa ve net: Evrim geri
dönüşü olmayan bir olgudur.
Reseptör örneğindeki gibi, evrim
sürecinde kendi içinde “kısıtlayıcı
mutasyonlar” geliştiren moleküler
yapılar, geçmişe ait köprüleri
yakarak değişir. Bilimin her
alanında olduğu gibi, bu iddialı
teoriyi destekleyen ya da çürüten
birçok çalışmayı da önümüzdeki
yıllarda takip edeceğimiz kesin.
İlk sorumuza dönelim: A
noktasında başlayan evrim her
seferinde B noktasına mı yönelir,
yoksa bambaşka bir yöneylem mi
gösterir?
Moleküler yapı, A noktasından
B noktasına yolculuğu sırasında
birçok çevresel etkiye maruz
kalacaktır. Yapının geçirdiği rasgele
mutasyonların kimi organizmaya
yarar sağlayacak etkiler doğururken,
herhangi bir işleve hizmet etmeyen,
yani organizmaya bir yarar
sağlamayan mutasyonlar da o
organizmanın doğal seçilime maruz
kalarak elenmesine neden olur.
Dolayısıyla genetik sürüklenmelerle
oluşan ve biriken, kalıtım yoluyla
da diğer nesillere aktarılan
genler giderek karmaşıklaşır.
Bu karmaşıklık her zaman
organizmanın yararına işlemeyerek
çoğu zaman işleri zorlaştıracaktır.
Fotoğraf: G. L. Kohuth
Thornton, en eski moleküler
yapılardan steroid reseptörü
laboratuvarda canlandırarak,
evrim süreçlerini belirledi.
Renkli küreler reseptörün
evrimleşen parçalarını gösteriyor.
Kısacası, organizmanın kaderi
bu rastgele değişimlere ve bu
değişimlerin etkisine bağlıdır.
Sorduğumuz soru da aslında
bu rasgelelik üzerine kurulu. Eğer
evrimsel değişim ve doğal seçilim
rastlantılar üzerine kurulu ise,
moleküllerin her seferinde aynı
şekilde evrileceğini düşünmek ne
kadar akılcı?
Ünlü biyolog Stephen Jay
Gould’a göre bu belirsizlikten
dolayı evrimin ulaşacağı noktayı
kestirmek güç; tabiri caizse hayatın
kasetini başa sarsak, dinlediğimiz
şarkıların çok daha başka olacağını
belirtiyor Gould. Richard
Dawkins’in de dahil olduğu bir
diğer grup ise evrimin her seferinde
aynı şekilde yol alacağını ve yol
ne kadar farklı olursa olsun, her
türlü evrim sürecinin sonunda aynı
kapıya çıkacağını düşünüyor.
Lenski’nin “akıllı ve
güçlü” bakterileri
Bu iki farklı teze cevap
vermeyi amaçlayan önemli
çalışmalardan biri, Michigan
State Üniversitesi’nde araştırma
yapan Richard Lenski tarafından
112 NTV B‹L‹M | Kasım 2009
gerçekleştirildi. Dawkins’in son
kitabı The Greatest Show on
Earth’de uzun uzun bahsettiği
bu deneysel evrim çalışmasının
sonucuna göre, evrim kendini
tekrar eden bir olgu değil ve aynı
şartlar altında farklı bir yöneylem
gerçekleşebilir.
Lenski’nin çalışması, deneysel
evrim alanındaki en yalın ve zekice
kurgulanmış deneylerden biri
sayılabilecek kadar güzel. 1988’de
başladığı deney için 20 yılda
toplam 44 bine yakın bakteriyel
nesil analizi yapan Lenski, bakteri
hücrelerini minimal düzeyde
beslenebilecekleri bir ortamda
yetiştirerek, değişen ortama nasıl
adaptasyon sağlayacaklarını test
ediyor. Bakterileri beslenebilecekleri
ideal bir glukoz ortamına koyarak,
sadece bu kısıtlı besin ortamında
hayatta kalabilen bakterilerle aynı
deneyi 15 yıl boyunca sürdürüyor.
Memelilerin adaptasyon süreci
binlerce yıl aldığından Lenski, bu
değişimi bakterileri kullanarak
daha kısa bir sürede gözlemeyi
hedeflemiş. Zira insanlığın 44
bin nesli –her nesil için ortalama
70 yıl düşünüldüğünde– yaklaşık
3 milyon yıla karşılık geliyor.
Fakat bakteriler 20 dakikada bir
bölündüğünden ve her bölünme
yeni bir nesil sayıldığından, 44 bin
neslin elde edilmesi evrimsel açıdan
çok daha kısa bir süreç.
Lenski, bu şekilde büyüttüğü
bakterilerde 30 bin nesil (yaklaşık
15 yıl) bir değişiklik gözlemlemiyor.
Fakat 30 bin nesil sonrasında,
bir gün aniden oluşan ve sağlıklı
bir şekilde büyümüş başka bir
bakteri soyuyla karşılaşıyor. Bu
yeni bakteri kültürünün, glukozla
değil ortamda bulunan başka
bir besin olan “sitrat”ı temel
besin maddesi olarak kullanacak
şekilde evrildiğini gözlemliyor.
Bunun nedeni ise, bakterilerin
genomlarında gerçekleşen değişiklik
ve yeni şartlara sağladıkları uyum.
Genomlarındaki hangi değişikliğin
bu değişime yol açtığı henüz
bilinmese de, asıl besin kaynağı
glukoz olmayan yepyeni bir tür
bakteri kültürünün evrimleştiği
kesin.
Yine başa dönersek, evrim
süreci geri dönüşü olmayan ve
kendini tekrar etmeyen bir süreç
midir? Thornton ve Lenski’nin
son çalışmalarına göre, “evet”.
Bilimsel tecrübelerimiz bu
deneyleri kendine özgü kriterleriyle
değerlendirmemizi bize öğrettiyse
de kesin olan bir şey var ki, bu
veriler bambaşka sistemlere ve
organizmalara uygulandığında
evrimsel süreci anlamamız yönünde
algımızı değiştirerek yeni kapılar
açacak. En azından bir “zaman
makinesi” icat edilene dek...
B
KAYNAK
Bridgham JT, Ortlund EA, Thornton JW., “An
epistatic ratchet constrains the direction of
glucocorticoid receptor evolution”, Nature
461:515-519 (2009).
Blount, Z.D., Borland, C.Z., Lenski, R.E., “Historical
contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia
coli”, PNAS 105:23, pp. 7899-7906 (2008).
Kasım 2009 | NTV B‹L‹M 113