İLK PROTEİNLER, PROTEİN OLMADAN NASIL OLUŞABİLDİ?

Bundan 3,7 milyar yıl önce proteinler neye benziyordu, yapıları nasıldı bugüne olan benzerlikleri ne kadardı? Weizmann Institute of Science'tan Prof. Dan Tawfik ve Kudüs Hebrew University'den Prof. Dr. Norman Metanis modern proteinlerin ataları olan ilkel protein sekanslarını yeniden yapılandırarak bu soruları cevaplamaya çalıştı.

Bu araştırmanın sonuçları ile geliştirilen hipoteze göre canlı bir hücreyi oluşturmak üzere bu ilkel proteinler gelişerek yapılaşmış olabilir. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) tarafından yayımlanan çalışmada modern proteinin bir hücrenin hareketli tüm yapı ve elemanlarını oluşturduğu belirtilirken, buna karşın ilk proteinlerin ilk canlı hücre ve dolayısıyla yaşamdan da önce ortaya çıkmış olması gerektiği not edildi. Bilinen modern proteinler 20 farklı aminoasitin, genetik dizimizin dikte ettiği şekilde farklı olarak sıralanarak en sonunda elektromanyetik etki ile üç boyutlu yumak halini alması ile oluşmaktadır. Bu bahsi geçen nevi şahsına münhasır dizilim; o proteinin yapısını, görevini, işlevini belirlemektedir. Bu da ilk proteinleri düşündüğümüzde içine girdiğimiz paradoksun temel sebebidir. Çünkü aminoasitler proteinleri oluşturur ve bu süreç için gerekli olan enzimler de protein yapıdadır. Yani genetik materyalin okunup proteinlerin üretilebilmesi için proteinler gereklidir.

Bunun için elimizdeki en genelgeçer açıklamaya göre, ilkel çorba içinde kendiliğinden var olmuş aminoasitlerin küçük peptitler (az sayıda aminoasitten oluşan mini proteinler) oluşturduğunu daha sonra da şans eseri yularıda bahsi geçen şekilde bir görev yapabilme özelliği ortaya çıkana kadar çok uzun bir süre pu peptitlerin gelişigüzel birbirine bağlandıklarını düşünüyoruz. Deneylerle de desteklenen bu görüşe göre ilk aminoasitlerin enzim etkinliği olmadan tesadüfen oluşması yaşama da dönüşebilen bir evrimin başlangıcı olabilir.

Ancak araştırmacı Dan Tawfik, bu deneylerde yine yukarıda bahsi geçen zorunlu 20 aminoasitin içinde bulunan arjinin ve lizin gibi pozitif yüklü aminoasitlerin eksik kaldığını düşünüyor. Modern proteinlerin tamamının yapısında olmazsa olmaz yere sahip bu aminoasitler DNA ve RNA -ikisi de elektrik yükü olarak net negatif yük arz etmektedir- ile etkileşime girmeyi sağlarlar.

Günümüzdeki bir diğer hipoteze göre RNA'lar tek zincirli olması hasılı ile DNA'lardan da önce genetik bilgi taşıyan ve kendini eşleyebilen ilk kalıtımsal moleküllerdi. Dolayısıyla pozitif yüklü aminoasitler bu RNA'lar ile etkileşimde bulunmamış olsalar, Dünya üzerinde yaşam da başlayamayacaktı. 1952 yılındaki ünlü Miller-Urey deneyinde bir tane pozitif yüklü aminoasit ortaya çıkmıştı: Ornitin. Bodybuilding sporu ile ilgilenen okurlarımızın bildiği gibi bu aminoasit arjinin üretiminde bir ara adımda görev ve yer alır. Buna karşın kendisi asla protein yapısında yer almaz.

Araştırmacılar "Peki bu ilk atasal proteinlerde eksik olan aminoasitler ornitin olsaydı?" sorusunu sorarak ilerlemeye çalıştı. Bu hipotezi test etmek için de araştırmacılar DNA ve RNA'ya bağlanan bir protein ailesinden basit bir protein ile yola çıktı. Filogenetik metotlar ile atasal proteinlerin sekansına benzetilmeye çalışıldı. Bu proteinin 64 aminoasitinin 14'ünün (arjinin veya lizin) pozitif yüklü olduğu yani pozitif aminoasitler açısından zengin olduğu söylenebilir.

Akabinde, pozitif yüklü aminoasitleri ornitinler ile değiştirilerek sentetik proteinler üretildi. DNA'ya bağlanan ornitinli proteinlerin bu DNA bağları oldukça zayıf bağlardı. Laboratuvar ortamında kimyasal reaksiyonların sonucunda ornitinlerin arjinine dönüştüğü gözlemlendi. Bu kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği laboratuvar koşullarının ilk proteinlerin ortaya çıktığı ilkel Dünya'nın evrensel şartlarına benzediğini belirten araştırmacılar daha fazla arjinin dönüşümü oldukça DNA bağının da kuvvetlendiğini gösterdi.

Aynı anda hem güçlenen hem de seçici karakter kazanan DNA ile bağ yapabilme yeteneği, RNA varlığında onun için de geçerliydi. Bu da, protein üretimi için gereken seçici enzimatik etkinliğin bu dönüşüm sayesinde ortaya çıkmış olabileceği ve bunun da direkt canlı evriminin temelini oluşturabileceği gösterilmiş oldu. Dolayısıyla ilk enzimsel proteinler ile RNA'lar bir araya gelerek ilk hücre benzeri yapıları oluşturabilecek ortamı bulmuş olabilirdi.

İlkel proteinler, protoprotein sekansları acaba nasıl yapılardı? 3.7 milyar yıl önceki protein sekansları yeniden yapılandırıldı.

Kaynaklar:

• 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-toarginine conversion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 202001989 https://www.pnas.org/content/ early/2020/06/18/2001989117

• Dan Tawfik, Which Came First?, Weizmann Institute of Science-Weizmann Wonder Wander, 22 Haziran 2020, https://wiswander.weizmann.ac.il/life-sciences/ which-came-first

• https://bilimfili.com/ilk-proteinlerproteinler-olmadan-nasil-olusabildi