İn Vitro Evrim Deneyleri

Beyza Gülçin Eracun - Moleküler Biyoloji Ve Genetik -Haliç Üniversitesi

Abiyogenez

  Molekül oluşum teorisi olarak da adlandırılan abiyogenez cansız varlıklardan canlı varlıkların yani yaşamın nasıl evrildiğini anlatan bir terimdir.   Eski zamanlarda bilim insanları yaşamın kökeni hakkındaki düşünceleri nedeniyle iki gruba ayrılmışlardır. Bir grup yaşamın Abiyogenez ile ortaya çıktığına inanırken diğer grup ise buna karşı çıkıyorlardı. Abiyogenezin öncü savunucularından Frederick Engels “Yaşam protein yapılarının varlığının bir modudur. Eğer protein yapılarının kimyasal olarak yapılmasında başarı sağlanırsa, onlar yaşam fenomenini sergileyecekler ve zayıf ve kısa-ömürlü olsalar da metabolizmayı ortaya çıkaracaklardır.” düşüncesine sahipti ve bu amaçla proteinlerin incelenmeye layık olduklarına karar verdi.  Materyalizmi benimsemiş bazı biyologlar da Engels’in düşünceleri yolunda farklı teoriler geliştirmeye başlamışlardı.  Engels’in yolunu izleyen Alexander Oparin ve J. B. S. Haldane birbirlerinden bağımsız olarak prebiyotik çorba hipotezini ortaya çıkarmışlardır. Bu hipoteze göre yaşam cansız maddelerden doğmaktadır.  Oparin’e göre madde sürekli basitte karmaşığa doğru yol almakta ve daha yüksek dereceli bir organizasyon oluşturmaktadır.

İlk Dünya Koşulları

  İlk atmosferde, olması durumunda yaşamı oluşturacak elementleri yok edeceğinden dolayı oksijenin olmadığı düşünülmekteydi. Aynı zamanda azotun günümüzdeki gibi serbest halde değil başka moleküllerle birlikte bulunduğu düşünülmekteydi. Oparin güneş etrafındaki gazlı ve tozlu diskte yer alan temel elementler olan helyum ve hidrojen de atmosferde bulunduğunu fakat daha sonrasında yer çekimi nedeniyle dünyanın atmosferinden çıktıklarını düşünmekteydi (Özmen S. (2019)).   İlk zamanlarda dünya, karbon ve ağır metallerin bulunduğu eriyik bir çekirdek ve çevresinde ilk volkanik kayalarla (Bir nevi zarla) çevrili halde bulunmaktaydı. Zarın ince bir tabakadan oluşması nedeniyle içerisinde yer alan maddeler yüzeye çıkabilmiştir. Çevresinde ise ağır gazların bulunduğu bir atmosfer ve çok ısınmış bir su buharı bulunmaktaydı. Oparin nitrojenin NO şeklinde bulunduğunu, yavaş soğuma yoluyla birbirlerinden ayrıldıklarını ardından nitrojenin demir karbürler ile reaksiyona girerek demirnitrür bileşiğinin oluştuğunu düşünmekteydi. Oluşan demirnitrürün ise su ile reaksiyona girip amonyağı oluşturduğunu düşünüyordu.

Amonyağın oluşma tepkimesi: FeN + 3 H2 0 = Fe (OH)3 + NH3

  İlk atmosferde bulunan su buharının zaman içerisinde dünyanın soğumasıyla birlikte yoğunlaşarak yağmurları oluşturduğu ve aynı zamanda metal karbürlerle reaksiyona girip ilk hidrokarbonları oluşturduğu (örneğin metan gazı bir hidrokarbondur) düşünülmekte.   Dünya soğudukça çekirdeğin etrafındaki tabakalar kalınlaşmaya ve çekirdek daralmaya başlamıştır. Çatlaklardan yüzeye çıkan maddeler yeni moleküllerin oluşmasına neden olabileceği düşünülmüştür.  O koşullarda atmosferde ozon tabakası olmadığı için mor ötesi ışınlar engellenemediği ve bu ışınlar sayesinde ilk organik bileşiklerin meydana geldiği düşünülmekte.

  Dünyanın daha da soğumasının ardından atmosferdeki su buharı yoğunlaşmış ve dünyanın sıcaklığına bağlı olarak kaynayan okyanusları oluşturmuştur. Bu okyanuslar “prebiyotik çorba olarak” da adlandırılmaktadır.   Bu prebiyotik çorba içerisinde hücredeki reaksiyonlara benzer reaksiyonların gerçekleşmesi sonucunda çeşitli yapıların oluşmaya başladığı düşünülmekteydi.

Dr. Adolph Strecker Deneyi 

 

Şekil 1: Dr. Adolphe Strecker

1850 yılında Dr. Adolph Strecker yaptığı deneyede amonyak, hidrojen siyanit , asetaldehit ve hidrojen siyanit kullanarak 2 adet aminoasit üretmiştir. 

Şekil 2: Strecker aminoasit sentezi (1)

Miller-Urey Deneyi

  1952 yılında Chicago Üniversitesi’nde Stanley Miller ve Harold Urey tarafından gerçekleştirilen bu deney inorganik moleküllerin canlılarda bol miktarda bulunan ve canlılığın evrimi için önemli rol oynayan organik moleküllere dünyanın başlangıç dönemlerinde ilkel koşullarda dönüşümünü göstermektedir. Bu deney ile Miller ve Urey’in asıl amacı nükleikasit moleküllerini sentezleyebilmekti.

  Miller ve Urey şekil 3’de gözlemlenen ve dünyanın ilkel koşullarında bulunan molekülleri içeren deney düzeneğini kurmuşlardır. Denek düzeneğinin sağ tarafında içerisinde su, metan, hidrojen ve amonyak bulunan atmosfer simülasyonu oluşturulmuştur. Yoğunlaşma buharlaşma ve elektrik akımları sayesinde yıldırımlar ve şimşekler taklit edilmiştir. İlkel atmosfer örneği kondansörden geçirilip yoğunlaştırıldıktan sonra trap (tuzak) denilen mekanik bölgeden geçirilerek basıncı arttırılır. Daha sonra oluşan sıvılar yeniden ısıtılır ve buharlaştırılarak döngü tamamlanır.

 

Şekil 3: Miller-Urey deney düzeneği.

Deney düzeneğinin bu şekilde bir hafta boyunca çalıştırılmasının ardından düzenekte bulunan karışım pembeye dönmüştür. Düzenekte basamaklar halinde çeşitli reaksiyonlar gerçekleşmiş ve bir reaksiyon sonucunda oluşan ürünler başka bir reaksiyon için kullanılmıştır. Bu şekilde çok sayıda farklı moleküller meydana gelmiştir.   Metan gazı içerisinde bulunan karbonun bir kısmı çeşitli şekerler ile glisin aminoasidini içeren organik molekülleri oluşturmuştur.  Gazların enerji sayesinde reaksiyona girmesiyle birlikte, asetik asit, formik asit, glutamik asit, propiyonik asit, aspartik asit ve glisin oluşmuştur.  Sizin de gözlemleyeceğiniz gibi aspartik asit, glisin, glutamik asit ve alenin birer aminoasittir. Bu dört aminoasit de dahil olmak üzere deney sonucunda 22 aminoasit sentezlenebilmiştir (Bakırcı Ç. M.(2013) ).

Proteinlerin Oluşumu

Şekil 7: Sidney W. Fox

  

1970’li yıllarda Sidney W. Fox proteinlerin ilkel dünya koşullarında meydana gelme olasılığını incelemek için çalışmalar yapmıştır.  Fox öncelikle ilkel dünya koşullarını tekrar etmiş ve 150℃′de bikarbonat, sodyum klorür, amonyum klorür, glutamik asit, aspartik asit ve karbonik asit kullanarak 2 hafta içerisinde 23 aminoasitten oluşan bir proteinin sentezlendiğini göstermeyi başarmıştır. Oluşan bu protein de dahil olmak üzere ilkel dünya koşullarında oluşan diğer birçok proteinin yine o koşullarda bir şekilde oluşmuş DNA ile bir araya gelerek hızlı sentez hızına ulaştıkları düşünülmektedir.

Şekerlerin Oluşumu

Şekil 8: Dr. Egon T. Degens

  

Bir jeolog olan Dr. Egon T. Degens yaptığı çalışmalarla şeker moleküllerinin doğal süreçler içerisinde ilkel dünya koşullarında oluşabileceğini göstermektedir. Okyanus tabanlarının da yapısında bulunan formaldehit ile okyanusun birincil kimyasallarından olan kalsiyum fosfat 100 ℃′de tepkimeye sokulmuş ve 2 saat sonunda 5 karbonlu riboz şekerinin oluştuğu gözlemlenmiştir. Riboz RNA’nın yapısına katıldığından dolayı oluşan riboz şekerinin RNA’nın oluşumuna katkı sağladığı düşünülmektedir.

Nükleotit Sentezi

2007 yılında Dr. Raffaele saladino ve ekibi 140 ℃′de formamid molekülleri ile hızlandırıcı olarak borat moleküllerini kullanarak 48 saat sonunda tüm nükleotitlerin sentezini gerçekleştirebilmişlerdir. Formamid molekülü okyanus tabanında bolca bulunan bir molekül olmakla birlikte ortamda borat molekülleri de bulunmaktadır.

RNA Molekülünün Sentezi

Şekil 10: RNA molekülü

  

1997 yılında Ferris-Orgel tepkimesiyle sıvı formamid, sıvı formaldehit, kalsiyum fosfat ve suyla derişik amonyak kullanılarak yaklaşık 5.5 PH değerinde (Okyanus tabanı PH değerinde) 24 saat sonunda kısa RNA molekülü elde edilmiştir.

Uzun Vadeli E. Coli Deneyi

Şekil 11: Richard E. Lenski

  

1988 yılında Richard E. Lenski ve ekibi evrimin varlığını kanıtlamak ve ortaya çıkartmak amacıyla yıllarca sürecek olan uzun vadeli Escherichia coli deneyine başlamışlardır. Öncelikle aynı soydan gelen E.Coli bakterilerini 12 gruba ayırmışlardır. Ardından bu bakterilerin büyümeleri ve çoğalmaları için gereken minimum koşulları sağlamışlar ve büyüyüp çoğalmalarına izin vermişlerdir. Aynı zamanda E. Coli bakterilerinin bulundurdukları ortama E.Coli’ lerin karbon kaynağı olarak kullanamadıkları sitratı içeren glikozu eklemişlerdir. Her gün büyüyen yeni popülasyonun %1’lik kısmını almışlar ve yeni kültür ortamına almışlardır. E.Coli bakterileri çok hızlı büyüyüp çoğalabildiklerinden dolayı bu işlem yapıldıktan sonra bakteri soyları birkaç nesil atlamış oluyorlardı. Lenski ve ekibi oluşan her nesilde yüzlerce mutasyon gözlemlemelerine rağmen ilk 30.000 popülasyon boyunca hiçbir popülasyonun sitratı kullanamadığını gözlemlemişlerdir.

Şekil 12: Richard E. Lenski ve ekip arkadaşı

Sonunda 31.500. nesilde bir popülasyonda sitrat kullanan varyant (Cit+) gözlemlediler.  Bu olayın nedeni bakterilerin bulundukları ortamdaki maddeleri en iyi şekilde kullanabilecek şekilde evrilmelerinden kaynaklanmaktadır. Bu olay sonucunda Cit+ varyantı gösteren popülasyondaki bakterilerin büyüklüğünde ve çeşitliliğinde artış olduğunu gözlemlemişlerdir.

Şekil 13: E.Coli bakterileri

  

Cit+ varyantı taşıyan bakteriler zaman içerisinde evrimleşip sitratı daha da iyi şekilde kullanabildikçe büyük nüfuz genişlemesi meydana geldi. Lenski ve ekibi glukozu kullanmaya devam eden Cit+ bakterilerinin, Cit- bakterileri için tehdit oluşturmadıkları gözlemlemişlerdir.

  Bunun sonucunda bir neslin popülasyonundaki bakterilerin iki üyeden oluşmuş ekolojik topluluğu oluşturduğunu gözlemlemişlerdir. Bu iki üyeden biri genelci diğeri ise kaynak uzmanıdır.

Referanslar

●       Bakırcı Ç. M.(2013) Evrim Kuramı Ve Mekanizmaları(1. basım), Evrensel Kültür Kitapları, İstanbul.

●       Özmen S. (2019). Yaşamın Kökenindeki Kimyasal Evrim, MADDE, DIYALEKTIK VE TOPLUM, Cilt: 2 Sayı: 2 Sayfa:114-123

https://bilimveaydinlanma.org/content/images/pdf/mdt/mdtc2s2/madde-diyalektik-ve-toplum-cilt-2-sayi-2.pdf (Erişim Tarihi:13.10.2022)

●       Özgökman F. (2013). Yaşamın Kökeni Ve Tanrı, Ankara Üniversitesi İlahiyat Fakültesi Dergisi Cilt:54 Sayı:2 Sayfa:49-76

https://dergipark.org.tr/en/pub/auifd/issue/40590/487783 (Erişim Tarihi:13.10.2022)

●       Lenski E.R., Borland Z. C., Blount Z. D. (2008). Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli, Proc Natl Acad Sci US A. Cilt:105 Sayı:23 Sayfa:7899-7906

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2430337/ (Erişim Tarihi: 13.10.2022)

İnternet Kaynakları

●       http://www.evreninsirlari.net/dosyalar/130_s01_03.pdf (Erişim Tarihi:13.10.2022)