Münih ekibindeki bir Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU), transfer-RNA moleküllerindeki (tRNA’lar) küçük değişikliklerin, bilgileri üssel olarak kopyalayabilen işlevsel bir birimde kendi kendilerine birleşmelerine izin verdiğini gösterdi. tRNA’lar, erken yaşam formlarının evriminde anahtar unsurlardır.
Bildiğimiz haliyle hayat, biyolojik hücrelerde mikroskobik ölçeklerde gerçekleşen ve binlerce farklı moleküler türü içeren karmaşık bir etkileşim ağına dayanmaktadır. Vücudumuzda her gün sayısız kez bir temel süreç tekrarlanır. Replikasyon olarak bilinen bir işlemde, proteinler hücre çekirdeğinde depolanan DNA moleküllerinde kodlanan genetik bilgiyi kopyalar – bunları hücre bölünmesi sırasında iki yavru hücreye eşit olarak dağıtmadan önce. Bilgi daha sonra, ilgili hücre tipinin gerektirdiği birçok farklı proteinin sentezini yöneten haberci RNA molekülleri (mRNA’lar) olarak adlandırılanlara seçici olarak kopyalanır (‘kopyalanır’). İkinci bir RNA türü – transfer RNA (tRNA) – mRNA’ların proteinlere ‘çevrilmesinde’ merkezi bir rol oynar. Transfer RNA’lar, mRNA’lar ve proteinler arasında aracı olarak hareket eder: her bir belirli proteinin oluşturduğu amino asit alt birimlerinin, karşılık gelen mRNA tarafından belirtilen dizide bir araya getirilmesini sağlarlar.
DNA replikasyonu ile mRNA’ların proteinlere çevrilmesi arasındaki böylesine karmaşık bir etkileşim, canlı sistemler ilk Dünya’nın ilk zamanlarında evrimleştiğinde nasıl ortaya çıktı? Burada tavuk ve yumurta probleminin klasik bir örneğini görüyoruz: Proteinler genetik bilginin kopyalanması için gereklidir, ancak sentezlerinin kendisi transkripsiyona bağlıdır.
Profesör Dieter Braun liderliğindeki LMU fizikçileri şimdi bu muammanın nasıl çözülebileceğini gösterdiler. Modern tRNA moleküllerinin yapılarındaki küçük değişikliklerin, bilgiyi üssel olarak kopyalayabilen bir tür kopyalama modülü oluşturmak için özerk olarak etkileşime girmelerine izin verdiğini gösterdiler. Bu bulgu, modern hücrelerde transkripsiyon ve translasyon arasındaki temel aracılar olan tRNA’ların, en eski canlı sistemlerde replikasyon ve translasyon arasındaki önemli bağlantı olabileceğini ima ediyor. Bu nedenle hangisinin önce geldiği sorusuna temiz bir çözüm sağlayabilir – genetik bilgi mi yoksa proteinler mi?
Çarpıcı bir şekilde, dizilimleri ve genel yapıları açısından, tRNA’lar yaşamın üç alanında, yani tek hücreli Archaea ve Bakteriler (hücre çekirdeğinden yoksun) ve Ökaryota’da (hücreleri gerçek bir çekirdek içeren organizmalar) yüksek oranda korunur. Bu gerçek, tRNA’ların biyosferdeki en eski moleküller arasında olduğunu göstermektedir.
Hayatın evrimindeki sonraki adımlar gibi, kopyalama ve çevirinin evrimi – ve bunlar arasındaki karmaşık ilişki – ani tek bir adımın sonucu değildi. Evrimsel bir yolculuğun doruk noktası olarak daha iyi anlaşılır. Dieter Braun, “Kendini kopyalama, otokataliz, kendi kendini organize etme ve bölümlere ayırma gibi temel fenomenlerin bu gelişmelerde önemli roller oynamış olması muhtemeldir” diyor. “Ve daha genel bir kayda göre, bu tür fiziksel ve kimyasal süreçler tamamen denge dışı koşullar sağlayan ortamların mevcudiyetine bağlıdır.”
Braun ve meslektaşları deneylerinde, modern tRNA’ların karakteristik formuna göre modellenen bir dizi karşılıklı olarak tamamlayıcı DNA ipliği kullandılar. Her biri, ortada bir bilgi dizisi ile ayrılmış iki ‘saç tokasından’ oluşuyordu (her bir iplik kısmen kendisiyle eşleşebildiği ve uzatılmış bir döngü yapısı oluşturabildiği için denir). Bu tür sekiz iplik, bir kompleks oluşturmak için tamamlayıcı baz eşleşmesi yoluyla etkileşime girebilir. Merkezi bilgi bölgeleri tarafından dikte edilen eşleştirme modellerine bağlı olarak, bu kompleks 4 basamaklı bir ikili kodu kodlayabildi.
Her deney, bir ikili diziyi tanımlayan iki tür merkezi bilgi dizisinden oluşan bir bilgi yapısı olan bir şablonla başladı. Bu sekans, mevcut iplik havuzunda etkileşime girebileceği tamamlayıcı molekül formunu dikte etti. Araştırmacılar, sıcak ve soğuk arasında tekrar eden bir sıcaklık dalgalanmaları dizisi uygulayarak şablonlu ikili yapının tekrar tekrar kopyalanabileceğini, yani yükseltilebileceğini göstermeye devam ettiler. Braun, “Bu nedenle, böyle bir çoğaltma mekanizmasının, erken Dünya’da hidrotermal bir mikrosistemde gerçekleşmiş olabileceği düşünülebilir” diyor. Özellikle, deniz tabanındaki gözenekli kayalarda hapsolmuş sulu çözeltiler, bu tür reaksiyon döngüleri için uygun bir ortam sağlamıştır, çünkü konveksiyon akımları tarafından üretilen doğal sıcaklık salınımlarının bu tür ortamlarda meydana geldiği bilinmektedir.
Kopyalama işlemi sırasında, tamamlayıcı iplikler (molekül havuzundan çekilen) şablon ipliklerinin bilgi segmenti ile eşleşir. Zamanla, bu tellerin bitişik saç tokaları da dengeli bir omurga oluşturmak için eşleşir ve sıcaklık salınımları amplifikasyon sürecini yönlendirmeye devam eder. Sıcaklık kısa bir süre için artırılırsa, şablon iplikler yeni oluşturulan kopyadan ayrılır ve daha sonra her ikisi de bir sonraki kopyalama turunda şablon iplikler olarak işlev görebilir.
Ekip, sistemin üstel çoğaltma yeteneğine sahip olduğunu gösterebildi. Bu önemli bir bulgudur çünkü çoğaltma mekanizmasının hataların birikmesinden dolayı çökmeye özellikle dirençli olduğunu göstermektedir. Replikatör kompleksinin yapısının modern tRNA’lara benzemesi gerçeği, tRNA moleküllerinin haberci RNA dizilerinin proteinlere dönüştürülmesinde modern rollerini üstlenmeden önce, erken tRNA formlarının moleküler replikasyon süreçlerine katılmış olabileceğini düşündürmektedir. Alexandra Kühnlein, “Erken evrim senaryosunda kopyalama ve çeviri arasındaki bu bağlantı, tavuk ve yumurta sorununa bir çözüm sağlayabilir” diyor. Ayrıca, proto-tRNA’ların karakteristik biçimini açıklayabilir ve çeviride kullanılmak üzere birlikte seçilmeden önce tRNA’ların rolünü aydınlatabilirdi.
Yaşamın kökeni ve Darwinci evrimin kimyasal polimerler düzeyinde ortaya çıkışı üzerine yapılan laboratuar araştırmaları, biyoteknolojinin geleceği için de sonuçlara sahiptir. Braun, “Moleküler replikasyonun erken biçimlerine ilişkin araştırmalarımız ve replikasyon ile çeviri arasındaki bağlantıyı keşfetmemiz, bizi yaşamın kökeninin yeniden inşasına bir adım daha yaklaştırıyor” diye sonuçlandırıyor.
Kaynakça
Materials, Ludwig-Maximilians-Universität München tarafından sağlandı.
Referans
- Alexandra Kühnlein, Simon A Lanzmich, Dieter Braun. tRNA sequences can assemble into a replicator. eLife, 2021; 10 DOI: 10.7554/eLife.63431
