Kendini çoğaltabilen ilk molekül/sistem hangisidir?

Hücre çok karmaşık bir yapıdadır. Bu yüzden de kendili­ğinden birdenbire ortaya çıkmak yerine, belirli basamaklar­dan geçerek oluşmuş olması daha mantıklıdır. Benzer şekilde hücrenin içindeki birçok molekül de karmaşık yapıdadır. O halde ilk hücrenin ortaya çıkışına kadar geçen süreçte önce en basit moleküller toplanmış, devamında hücre yapısında bulunan daha karmaşık moleküller oluşmuş ve devamında da çevreleri bir zarla çevrilmiş olabilir. Bu aşamada hangi­sinin daha önce olduğunu söylemek çok kolay değil. Basit bir zar yapısı ile çevrildikten sonra, hücrenin içindeki daha karmaşık moleküller oluşmuş da olabilir.

Organik moleküllerden ilk hücrelere geçiş:Kendini kopyalayabilen moleküller/sistemler

Bir önceki bölümde, özellikle Miller ve Urey’in deney­lerini anlatırken, basit organik moleküllerin ilk dünya or­tamında nasıl oluşmuş olabileceğinden bahsetmiştik. Şim­di bir sonraki adımdayız. Bu organik moleküllerden basit hücreler nasıl oluştu? Bu noktada, çok kritik bir adımın gerçekleşmesi gerekiyor: Bu da kendini kopyalayabilen bir molekülün/sistemin gelişmesi ve devamlılığını sürdü­rebilmesidir. İlk defa kendini kopyalayabilme özelliğini kazanan molekülün/sistemin ne olduğunu kesin olarak bilemesek de bazı hipotezler bu süreci açıklamaya çalışı­yor. Bu hipotezlerde iki farklı görüşün hâkim olduğunu söyleyebiliriz. Bir kısım bilim insanı, en yaygın fikir olan, öncelikle nükleik asitlerin ortaya çıktığı fikrini savunur­ken (önce-genler), bir kısım bilim insanı ise öncelikle biyokimyasal reaksiyonların ve yol-izlerinin (pathways) ortaya çıktığını düşünmekteler (önce-metabolizma). Nükleik asitler ya da metabolik yol-izleri, hangisi ilk ge­lirse gelsin, kendini sürdürebilmiş ve sahip olduğu bilgiyi sonraki nesillere aktarabilmiş olmalıdır.

Şimdi bu hipotezler arasında en yaygın olarak kabul gören RNA dünyası hipoteziyle başlayalım.

“Önce genler” modeli: RNA dünyası hipotezi

RNA dünyası hipotezine göre, organik moleküllerden ilk hücrenin oluşmasına geçilirken ilk oluşan karmaşık molekül DNA ya da protein değildi. Kendini kopyalaya­bilen ve katalitik (enzim gibi çalışıyordu) özelliği olan RNA, diğer moleküllerden önce ortaya çıkmış olmalıydı. RNA’nın iki özelliği onun DNA ve proteinden önce geldi­ği fikrini kuvvetlendiriyor. Birincisi aynı DNA’da olduğu gibi RNA da bilgi depolayabilir. Eğer RNA bir şekilde ken­dini kopyalayabilirse, depoladığı bilgiyi de sonraki nesil­lere aktarabilir. Burada da RNA’nın önemli ikinci özelliği belirleyici oluyor. Enzimlerde olduğu gibi bazı RNA mo­lekülleri katalitik özellik gösterebilir.

Ribozimlerin (RNA enzim) keşfi

Proteinlerin hücre içinde farklı görevleri bulunur. Ancak en temel görevleri hücrenin devamı için gerekli kimyasal reaksiyonları katalizlemektir. Hücrede kata­lizleme görevi gören proteinlere enzim adı verilir. Son zamanlara kadar, enzimlerin sadece proteinlerden mey­dana geldiği düşünülüyor­du; ancak 1980’lerin baş­larında Sidney Altman ve Thomas Cech, birbirinden bağımsız olarak yürüttük­leri çalışmalarda bazı RNA moleküllerinin de kimyasal reaksiyonları katalizleyebil­dikleri, yani enzim görevi görebildiklerini ortaya çı­kardı. Bu tür RNA’lara ribo­zim (RNA enzim) adı veri­lir. (Şekil 1) Bu buluşlarından dolayı Altman ve Cech 1989’da kimya dalında Nobel Ödülü ile ödüllendirilmiş­tir. Bu önemli buluş bizi canlılığın ilk zamanlarıyla ilgili önemli bir hipoteze getiriyor.

RNA dünyası hipotezi

Enzim görevi gören RNA’ların ortaya çıkışı, 1960’lı yıl­larda ortaya atılan bir hipotezi de desteklemiş oldu. Bir­birinden bağımsız olarak, Carl Woese, Francis Crick ve Leslie Orgel tarafından öne sürülen bu hipoteze göre, ilk dünya ortamında DNA ya da proteinler ortaya çıkmadan önce RNA vardı ve hem genetik bilginin saklanması hem de enzimatik aktivitelerin gerçekleşmesi görevini yerine getiriyordu. Bu hipoteze “RNA dünyası hipotezi” adı veri­liyor. Ribozimlerin keşfinden yıllarca önce ortaya sürülen bu hipotez, bilim dünyasında çok geniş kabul gören bir hi­potezdir. RNA’nın DNA’ya göre daha basit bir yapısı olması nedeniyle önce RNA ortaya çıkmış olabilir; ancak daha da­yanıklı yapısı sayesinde DNA sonraları baskın hale geçerek, genetik bilginin taşınması rolünü almıştır. RNA’nın enzi­matik özelliği vardır, ancak proteinlerle karşılaştırdığımız­da düşük bir seviyededir. Bu yüzden de proteinler geliştik­çe katalizör görevini RNA’dan büyük oranda devralmıştır.

RNA dünyası hipotezinin en önemli kanıtlarından birisi, hücrelerde bulunan ve “ribozom” adı verilen or­ganellerdir. Ribozomların yapısında RNA ve proteinler bulunur ve bunlar hücrede proteinlerin sentezlendiği yer­dir. Ancak bu sentez sırasında katalitik görevi yapanlar ribozomun yapısındaki proteinler değil RNA’lardır. Bu da RNA’nın ilk dünya ortamında proteinlerden önce katalitik görevi yerine getirmiş olabileceğini gösteriyor. (Şekil 2)

RNA dünyası hipoteziyle ilgili son çalışmalar

RNA’yı oluşturan yapıtaşlarına nükleotid dendiğinden ve her bir nükleotidin de azotlu bir baz (her bir nükleotidi birbirinden ayıran harf denebilir), bir şeker molekülü ve fosfat grubundan oluştuğundan bahsetmiştik. Yıllar bo­yunca araştırmacılar, şeker ve bazları üretip birbirine bağ­layarak ve devamında da fosfat grubu ekleyerek RNA mo­lekülü yapmayı denediler. Ancak bunda başarısız oldular. Bilim insanlarının burada ulaştıkları sonuç şu oldu: RNA, DNA ve proteinden daha önce ortaya çıkmış olabilir; an­cak birdenbire ortaya çıkamayacak kadar karmaşık bir yapıda görünüyor. Bu yüzden ilk dünya ortamında RNA molekülü, basitçe şeker, baz ve fosfat gruplarının birleş­mesiyle oluşmuş olmayabilir. Araya başka moleküller gir­miş ve devamında RNA oluşmuş ve kontrolü ele almış ola­bilir. Bazı araştırmacılara göre RNA merkezli yaşam, daha önceden yaşamış ve değişik bir genetik materyal kullanan başka organizmalardan evrilmiş olabilir. Bu hipoteze göre PNA (peptit nükleik asit), TNA (treoz nükleik asit) ya da GNA (gliserol nükleik asit) denilen genetik moleküller, RNA’dan daha önce ortaya çıkmış olabilir. Bu moleküller DNA ve RNA yapısına benzerlik gösterse de, temel yapı olarak farklıdırlar. Bu moleküller ilk oluşma aşamasında RNA’nın karşılaşabileceği zorluklarla karşılaşmadan daha kolay bir şekilde meydana gelmiş ve daha sonra ise yerle­rini RNA’ya bırakmış olabilirler.

“Önce metabolizma” modeli:Demir-kükürt dünyası hipotezi

Bu hipotezin temel fikrine göreyse, ilk olarak gen de­ğil, ilkel metabolizmalar ortaya çıktı. Bu metabolizmalar daha sonra gelecek RNA için uygun ortam oluşturdu. Bu fikrin ilk örnekleri Alexander Oparin’in 1924’de öne sürdüğü kendi kendini çoğaltabilen vezikül (kesecik) fikriyle ortaya çıktı. 1980’lerde Alman kimyacı Günter Wachtershauser’in öne sürdüğü demir-kükürt dünyası hipotezi ise bu fikrin en son örneklerindendir. Bu hipo­teze göre, ilk yaşam demir-kükürt mineralleri üzerinde oluşmuş olabilir. Öncelikle kendi enerjisini üretebilen kapalı metabolik döngüler oluşmuş ve daha sonra bu döngü içerisinde RNA gibi karmaşık moleküllere ge­çilmiştir. Bu reaksiyonlar da büyük ihtimalle okyanus diplerinde bulunan hidrotermal bacaların çevrelerinde gerçekleşmişti.

Kaynak: Deniz Şahin, 50 Soruda Yaşamın Tarihi, Bilim ve Gelecek Kitaplığı, Mart 2011, 1. Baskı, s.138