Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

İlk DNA nasıl oluştu? - Retrovirüsler, "Önce-RNA Hipotezi" ve "RNA Dünyası Kuramı"

---

İlk DNA nasıl oluştu?

Ayrıca sayfamız üyelerinden Sayın Sabit Yurd şöyle bir ricada bulundu:

RNA dan DNA sentezini biraz daha açabilir misiniz?

Evrim Ağacı olarak kendisine şöyle bir cevap vermek istiyoruz ve rica üzerine yazımıza RNA'dan DNA sentezini de katıyoruz; ayrıca bu cevabımızı, Canlılığın Evrimi yazı dizimizin 6. yazısı olarak ekliyoruz:

Sayın Hasret RaTz Güneş,

İlk önce bu güzel ve temel sorunuz için size teşekkür ediyoruz ve bu cevabı anlayabilmeniz için öncelikle notlarımız arasında bulunan "Canlılığın Evrimi" başlıklı, 5 yazıdan oluşan yazı dizimizi okumanızı tavsiye ediyoruz. Çünkü temel bilgiler orada serpiştirilmiş durumda bulunmakta. Burada ise daha spesifik bir cevap arayacağız; doğrudan DNA ile ilgili olarak...

Bu konu, uzun süre bilim insanlarının aklını meşgul etmiş ve pek çok hipotezin ortaya atılmasına, onlarca deneyin düzenlenmesine, konu hakkında pek çok tez yazılmasına sebep olmuştur. Günümüzde ise bir hipotez, hepsinden ileri bir yerde bulunmaktadır: "Önce-RNA Hipotezi"

Bu ne demektir, ona bir bakalım: Bir grup bilim adamı, DNA olmaksızın RNA'nın sentezlenemeyeceğini, dolayısıyla proteinlerin üretilemeyeceğini, dolayısıyla canlının varlığını sürdüremeyeceğini ileri sürmüştür. Bu, bilim dünyasının Biyoloji'nin Merkezi Dogması olarak isimlendirdiği "kural"dır. Bu kurala göre DNA, RNA'yı sentezler; RNA da proteinleri sentezler. Hiçbir zaman proteinlerden RNA, RNA'dan da DNA üretilemez. Dolayısıyla canlılığın başlangıcında ilk önce oluşması gereken, DNA'dır. Buna, "Önce-DNA Hipotezi" denmiş ve uzunca bir süre DNA'nın nasıl oluşabileceği üzerine araştırmalar yürütülmüştür.

Ancak daha sonra, retrovirüs dediğimiz ve ana genetik materyali canlılar gibi DNA değil de RNA olan virüslerin yapısı anlaşıldığında, "Önce-DNA Hipotezi" çok derin yaralar alarak akılda soru işaretleri bırakmıştır. Sonrasında gelen yeni bulgularla da bu hipotezden uzaklaşılmaya başlanmıştır.

Önce-DNA Hipotezi'ne göre, DNA tam olarak açıklanamayan ancak temel kimyasal tepkimeler dahilinde, doğal fiziksel itki-tepki kuvvetlerine göre, bu şekilde sarmal bir halde üretilmiş ve sonrasında, yine yapısı gereği RNA sentezleyerek işlevini sürdürmüştür. Ancak bu hipotezin, pek çok açığı bulunmaktadır. Bunların en önemlisi de, DNA'nın bir katalizör yani kimyasal tepkimelerin aktivasyon enerjisinin düşürücü etkiye sahip kimyasal özelliği bulunmamaktadır. Bu da, bu kadar kompleks moleküllerin oluşabilme ihtimalini çok düşürmektedir. Çünkü, katalizör olan bir ortamda birkaç saniyede gerçekleşecek bir tepkime, katalizör olmadığında günler, haftalar, yıllar ve hatta yüzlerce yıl alabilmektedir. Önce-DNA Hipotezi savunucuları, ilk canlının oluştuğu ortam koşullarını katalize edici bir faktör olarak ileri sürseler ve bu şekilde bu karşı-tezi çürütmeye çalışsalar da, yaptıkları açıklamalar bilimsel açıdan pek de tatmin edici değildir.

Ancak sonradan yapılan yeni bir keşif, zaten neredeyse tüm soru işaretlerini ortadan kaldırmaya yetmiştir: Ribozim (ribozyme) isimli bir RNA parçası ve aynı zamanda da enzim keşfedilmiştir.

Ribozim, "ribonükleik asit enzimi"nin kısaltılmışıdır. Ribozim, aslında temel olarak bir RNA molekülüdür. Bu molekülün üçüncül (tetriary) yapısı (daha fazla bilgi için proteinlerin yapısal özelliklerine bakmanızı tavsiye ederiz) sayesinde, kalıtım materyali haricinde, aynı zamanda bir enzim olarak çalışmakta ve kimyasal tepkimelerin aktivasyon enerjisini düşürebilmektedir. Ribozim kimyasal yapısından ötürü, ortamda kendisini oluşturacak ve yazı dizimizin önceki yazılarında bahsettiğimiz temel Hayat Molekülleri'nden olan nükleotitler bulunduğu sürece, kendi kendisini üretme tepkimesini tetikleyecek bir yapıdadır. Buna, bilim dünyasında oto-katalizör denmektedir.

Dolayısıyla canlılığın başlangıcında, aktivasyon enerjisi düşürülmemiş; ancak çevre etkisi altında normalden daha kolay gerçekleşebilen bir kimyasal tepkime sonucunda, tek bir ribozim bile üretilirse, sonrasında bu ribozimin kendisinin üretimini sağlayan tepkimeyi hızlandıran özelliği sayesinde sınırsız sayıda ribozimin oluşması sadece dakikalar alacaktır. Dolayısıyla Önce-RNA Hipotezi dahilinde, ilk oluşan molekül bir ribozimdir, bu enzim doğal süreçlerle milyonlarca yıllık bir deneme-yanılma ve seçilim süreci sonucunda oluşmuştur, sonrasında kendisini üreterek hızla çoğalmıştır. Koaservatlarda genetik materyal rolünü görmeye başlamış, böylece koaservat içerisindeki kimyasal bütün tepkimeleri koordine edecek olan molekül oluşmaya başlamıştır. Sonrasında bu enzim-RNA yapısı, RNA'nın oluşumunu tetiklemiştir ve buradan da geri-transkripsiyon denen ve "merkezi dogma"nın hatalı olduğunu gösteren tepkime sayesinde RNA'dan DNA üretilebilmiştir.

Biyoloji'deki "central dogma" (merkezi dogma) denen yapıyı özetleyecek olursak:

1) DNA, kendisini ve RNA'yı üretebilen moleküldür.
2) RNA, DNA'yı üretemez ancak proteinleri sentezleyebilir.
3) Proteinler, ne RNA'yı ne de DNA'yı sentezleyebilir. Sadece sentezlenirler.

Daha önce de bahsettiğimiz gibi retrovirüslerin keşfi, bu dogmanın ikinci maddesinin ihlal edilebildiğini göstermiştir. Retrovirüsler, yapılarında var olan RNA'yı kullanarak DNA sentezlerler. Bunu yapan enzimse reverse transcriptase denen bir enzimdir. Biraz karmaşık olan ve temel Biyoloji bilgisi gerektiren bu olayı kabaca özetlemekte fayda görüyoruz. Bunu anlamak için, günümüzde bu işlemi halen gerçekleştirebilen varlıklar olan ve canlı sayılmayan retrovirüsler (4. sınıf virüsler) ve onlardaki RNA'dan DNA sentezini inceleyebiliriz:

1) Özel bir tRNA, RNA üzerinden çiftlenmenin başlaması için gereken öncül molekül olarak RNA'nın "birincil bağlanma bölgesi" denen kısmına bağlanır.

2) Sentezlenecek olan tamamlayıcı şeridin ilk parçaları, bu öncül molekülün bağlandığı birincil bağlanma bölgesinin hemen yanında bulunan R ve U5 denen bölgeye bağlanır ve bunların ikizleri, öncül molekülün peşinde üretilir.

3) RNAz H denen bir enzim, DNA'yı üretecek olan RNA'nın bu R ve U5 bölgelerini parçalar.

4) Bu işlem sonrasında, öncül molekül RNA'nın öteki ucuna geçer ve peşinden kopyalanmış R ve U5 parçalarını da sürükler. Bu parçalardan R isimli kısım, RNA'nın diğer ucundaki R ile bağ kurar.

5) Bu işlemden sonra RNA hızla kopyalanır ve tek bir şerit olan RNA'dan, ikincil ve kendisinin ikizi bir şerit elde edilir. Bu, aynı zaman "eş DNA"nın (üretilecek olan DNA) ilk şeridi olur. Bu sırada RNAz H enzimi, ana RNA'nın büyük bir kısmını parçalar.

6) İlk şerit üretildikten sonra, otomatik olarak virüs içerisindeki RNA, ikinci şeridin oluşumunu tetikler.

7) İlk baştakine benzer bir sıçrama sonucunda, RNAz tarafından parçalanan RNA'nın yerine, ilk şeridi tamamlayan ikinci şerit üretilir. Böylece tek şeritli RNA'dan, çift sarmal olan DNA üretimi tamamlanır.

Bu olay, ilk bakışta karışık ve "moleküllerin kendi kendine yapamayacakları kadar karmaşık bir iş" gibi gözükse de, sorun "canlılık" kavramındaki hatalı tanımımızdan kaynaklanmaktadır. Şu nokta anlaşılırsa, sorun ortadan kalkar: "Canlı", bu yukarıda saydığımız gibi veya daha da karmaşık moleküler tepkimeleri gerçekleştirebilen varlıklar değillerdir. Tam tersine, bu yukarıda saydığımız gibi veya daha karmaşık moleküler tepkimelerin gerçekleştiği atomlar ve moleküller bütününe biz dönüp baktığımızda "canlı" diyoruz. Buradaki ufak farkı yakalayabildiğinizde, aklınızdaki pek çok sorun ortadan kalkacaktır. Daha ayrıntılı bilgi için, "canlılık" ve "cansızlık" kavramıyla ilgili bundan önceki yazılarımıza bakılabilir.

Ancak sonuç olarak, RNA, bu yöntemlerle ve muhtemelen başlangıçta daha basit ve karmaşık olmayan; ancak daha çok hataya meyilli olan yöntemlerle DNA'yı üretebilmektedir. İşte bu da bizi RNA Dünyası Kuramı'na götürür. Bu kurama göre, daha önce bahsedildiği gibi, sadece 1 adet ribozim enzimi kimyasal ve fiziksel tepkimeler dahilinde doğal şartlar altında var olmuştur ve Doğal Seçilim sayesinde, bu yapı kendisinin üretimini sağladığı için seçilmiş ve varlığını sürdürmüştür. Bu sayede, kısa sürede Dünya'ya RNA molekülleri hakim olmaya başlamıştır. Hele ki yağ moleküllerinin su içerisinde self-organization denen bir diğer bilimsel kuram dahilinde, daha önce açıkladığımız basamaklardan geçerek bir zırh oluşturmaları ve RNA'ların bu zırh içerisine hapsolması, onları daha da avantajlı hale getirmiştir.

İşte koaservat dediğimiz ilk "canlı" yapıların genetik materyal kazanmaları da bu şekilde gerçekleşmiştir. Ribozim ve bunun sayesinde üretilen RNA molekülüne sahip olan koaservatlar, genetik materyalin düzenleyici rolünden ötürü çok daha avantajlı konuma geçmişlerdir ve herhangi bir genetik materyale sahip olmayanlara karşı üstünlük sağlamışlardır. Genetik materyal, bir hücre (ya da daha basit olarak koaservat) içerisindeki bütün tepkimelerin bilgisini depolayan yapıdır. Dolayısıyla genetik materyalin kazanılması, hücre içerisinde düzenli olarak gerçekleşecek tepkimelerin başlamasından daha önce olmuş olmalıdır. Daha sonra, genetik materyale vee bu sebeple de düzenli bir şekilde yaşamlarını sürdürüp çoğalmayı başarabilen bu koaservatlar gittikçe gelişerek tek hücreli canlıları meydana getirmişler ve bunların 3.8 milyar yıllık evrimleri sonucu da günümüzdeki modern canlılar meydana gelmiştir.

Önce-RNA Hipotezi, pek çok açıdan desteklenmektedir. Örneğin, canlılık Dünya'da, Dünya'nın var olmaya ve soğumaya başladığı 4.5 milyar yıl öncesinden yaklaşık 600-700 milyon yıl önce (bundan 3.8 milyar yıl kadar önce) var olmaya başlamıştır. Bu 600-700 milyon yıllık uzun süreçte, Dünya üzerinde sonsuz sayıda kimyasal tepkime gerçekleşmiştir. Miller-Urey Deneyleri ile ispatlandığı ve 462 farklı üniversitede de günümüzde sınandığı, geliştirildiği ve başarılı bulunduğu üzere, o günlerin şartlarında oluşan sayısız organik molekül, birbirleriyle birleşmiş, ayrılmış, tekrar birleşmiş ve sınırsız sayıda deneme-yanılma yapılmıştır. Sonunda daha kararlı yapıda olan bileşimler varlıklarını korumuşlardır ve cansızlıktan canlılığın oluşumu bu şekilde, minik adımlarlra, 600-700 milyon yılda gerçekleşmiştir. Bu süre, bir ribozimin var olabilmesi için fazlasıyla yeterli bir süredir. Zaten bir tanesi var olduktan sonra, sınırsız sayıda ribozyim ve dolayısıyla RNA molekülünün olması işten bile değildir.

RNA var olduktan sonra, gerek diğer moleküllerle tepkimeler, gerekse de yine deneme-yanılma ve buna bağlı seçilim sonucu DNA molekülü oluşabilmiştir. Zaten RNA var olduktan sonra, DNA'nın var olması için sadece aralarında kimyasal çekim olan (Adenozin ile Timin'lerin ve Guaninler ile Citozin'lerin karşılıklı geldiği) RNA dizilimleri birleşmesi yeterli olmuştur.

İşte bu, genetik kalıtımın ve dolayısıyla Evrim'in gerçek anlamda başladığı noktadır. Ancak daha önceki yazılarımızda da görüldüğü gibi Evrim Mekanizmaları'ndan ve doğa yasalarından biri olan Doğal Seçilim, bundan öncesinde de moleküler düzeyde etkilidir.

Umarız açıklayıcı olabilmiştir.

Saygılarımızla.

ÇMB (Evrim Ağacı)

www.evrimagaci.org

---