Bilim en büyük soruyu yanıtladı: Dünyada yaşam iki farklı kaynakta başladı, sonra birleşti

Dünya üzerinde yaşam ilk olarak nerede ve nasıl ortaya çıktı? Bu sorular, Düsseldorf Heinrich Heine Üniversitesi (HHU) Moleküler Evrim Enstitüsü’ndeki araştırmaların merkezinde yer alıyor. 

Şimdi, Düsseldorf’taki biyologların liderliğindeki uluslararası bir ekip, Science Advances dergisinde, en eski hücrelerin yaşamın temel bileşenlerini üretmek için kullandığı kimyasal reaksiyon ağını ve bu reaksiyonları besleyen enerji kaynaklarını aydınlatan yeni bulgular bildirdi. Araştırmacılar, bakteri ve arkea arasındaki en erken ayrışma sırasında enzimlerin kökenlerini izleyerek, serbest yaşayan hücrelerin iki kez bağımsız olarak ortaya çıkmış olabileceğine dair kanıtlar buldular.

Yani yeryüzünde yaşam iki farklı kaynakta bir birinden bağımsız olarak başlamış.

Yaklaşık 4 milyar yıl önce, Dünya bugün bildiğimiz gezegenden çok farklı görünüyordu. En eski hücrelerin şekillenmesini izlemek mümkün olsaydı, sahne iki farklı ilkel hücresel yaşam biçimini içerebilirdi.

Düsseldorf Üniversitesi’nde biyolog ve Science Advances dergisinde yayınlanan yeni makalenin baş yazarı Natalia Mrnjavac, “Hidrotermal bir bacanın sınırları dışında hayata ilk girişimlerini yapan, öncü bakteriler ve öncü arkeler olmak üzere iki çok farklı hücre türünün ortaya çıktığını görecektik” diyor.

Mrnjavac ve uluslararası bir ekip, tamamen serbest yaşayan hücrelerin varlığından önceki dönem de dahil olmak üzere, mikrobiyal evrimin en erken aşamalarından bazılarını araştırmak için genomları, protein yapılarını ve kimyasal reaksiyonları inceledi.

Çalışmanın kıdemli yazarı biyolog William Martin, “Bu karşılaştırmalar, enzimler tarafından katalize edilen metabolizmanın, Dünya kabuğundaki metaller tarafından katalize edilen kendiliğinden reaksiyonlardan ortaya çıktığı evrim aşamasına dair eşi benzeri görülmemiş bilgiler veriyor” diyor.

Erken Yaşamın Kimyasının Yeniden İnşası

Araştırmacılar, erken metabolizmanın yalnızca seçilmiş kısımlarına odaklanmak yerine, hücrelerin erken Dünya’da bulunan hidrojen gazı, amonyak ve CO2 gibi maddelerden temel biyolojik bileşenleri (amino asitler, RNA bazları ve vitaminler) üretmek için kullandığı kimyasal reaksiyonların tamamını inceledi.

Bu 420 kimyasal reaksiyon birlikte, metabolizma olarak bilinen metabolik ağı oluşturuyor. Reaksiyonların kendileri son derece eski ve genetik kodla karşılaştırılabilir bir derecede yaşam boyunca korunmuş durumda.

Araştırmacıları şaşırtan şey, bu reaksiyonları gerçekleştiren enzimlerin bakteri ve arkea arasında aynı derecede korunma göstermemesiydi.

Martin: “Şaşırtıcı olan, bu reaksiyonları katalize eden enzimlerin, bakteri ve arkeaları ayıran evrimsel ayrım boyunca korunmamış olmasıdır. Tüm hücrelerin son evrensel atası olan LUCA’nın, metabolizma reaksiyonlarının sadece yaklaşık yarısı için enzimlere sahip olduğunu bulduk. Diğer yarısı ise LUCA’nın ortaya çıktığı ortamdaki metaller tarafından katalize ediliyordu.”

Bu bulgu, en eski metabolizmanın, modern hücresel metabolizmaya göre çevredeki ortama çok daha fazla bağımlı olduğunu gösteriyor.

Madrid’deki Max Planck Kömür Araştırma Enstitüsü ve IMDEA Malzeme Enstitüsü’nden inorganik kimyager ve çalışmanın ortak yazarı Harun Tüysüz, “Hidrotermal bacalarda doğal olarak bulunan metaller, metabolizmadaki şaşırtıcı derecede çok sayıda enzimin yerini alabilir” diyor.

Kanada’daki Ottawa Üniversitesi’nden Joseph Moran, “Ne kadar yakından bakarsak, erken biyokimyasal evrimin enzimatik ve metal katalizörlerin bir melezi olduğunu o kadar net görebiliriz” diyor. Moran, enzimlerin ve kofaktörlerin yerini alarak metabolik reaksiyonları katalize etmek için metallerin kullanımında uluslararası bir lider konumunda.

Metal Katalizörlerden Enzimlere

Çalışmanın en önemli ilerlemelerinden biri, biyolojik katalizin erken evriminde dört aşamanın yeniden yapılandırılmasıydı.

Süreç, tamamen metaller tarafından yönlendirilen reaksiyonlarla başlamış gibi görünüyor. Bunu, metallerin ve enzimlerin birlikte çalıştığı LUCA aşaması izledi. Daha sonra, bakteriler ve arkeler ayrı evrimsel yollarda ilerlemeye başladı. Her soy hattında, yeni evrimleşmiş enzimler, metabolizmanın ilk geliştiği ortam tarafından sağlanan inorganik katalizörlerin yerini kademeli olarak aldı.

Önemlisi, araştırmacılar, bakterilerin ve arkelerin aynı temel metabolik görevi yerine getirebilen farklı enzimleri bağımsız olarak geliştirdiği örnekleri belirledi.

Mrnjavac, “Bakterilerin ve arkelerin atalarının aynı temel metabolik reaksiyonu katalize etmek için yapısal olarak farklı enzimleri bağımsız olarak geliştirdiği durumları görebiliyoruz,” diyor, “bu tür paralel icatlar, serbest yaşayan bakterilerin ve arkelerin bağımsız olarak ortaya çıkmasının yolunu açmış olabilir.”

Bu paralel evrim, iki soyun hidrotermal bacaların kimyasına olan bağımlılığını azaltmasına ve sonunda bağımsız hücreler olarak hayatta kalmasına olanak sağlamış olabileceği için çok önemli olabilir.

Erken Metabolizmanın Nasıl Güçlendirildiği

Bir diğer önemli soru da enerjiyle ilgilidir. Modern hücreler metabolizmayı güçlendirmek için büyük ölçüde ATP’ye bağımlıdır, ancak ATP’nin kendisi enzimler yardımıyla üretilen karmaşık bir moleküldür. Antik hidrotermal ortamlarda kolayca bulunamazdı.

Bu nedenle araştırmacılar, ATP tabanlı metabolizma var olmadan önce enerjiyi neyin sağlamış olabileceğini araştırdılar.

Düsseldorf ekibinden Manon Schlikker, “Metabolik kökenli yeni bir enerji kaynağı belirledik” diyor.

Olası bir cevap, hidrotermal bacalarda doğal olarak bulunan ve kimyacılar tarafından yaklaşık bir yüzyıldır etkili bir katalizör olarak bilinen paladyum metalini içeriyor.

Ekip, hidrotermal bacalarda doğal olarak bulunan bir fosfor formu olan fosfitin, paladyumun varlığında organik bileşiklerle reaksiyona girerek metabolik fosforilasyonla ilişkili reaksiyonlar üretebildiğini keşfetti.

“Hidrotermal bacalarda doğal olarak bulunan bir fosfor formu olan fosfiti organik bileşiklerle reaksiyona soktuğumuzda, suda bir gecede metabolik fosforilasyon reaksiyonları elde ediyoruz. Fosfit ve paladyum, ATP ve enzimlerin yerini alıyor; bu inanılmaz ve erken evrimi kavramayı çok daha kolaylaştırıyor,” diyor Schlikker.

Sonuç, modern biyolojik enerji sistemleri evrimleşmeden önce en eski metabolik reaksiyonların nasıl enerji elde etmiş olabileceğine dair olası bir açıklama sunuyor.

Metabolizmanın Kökeninde 420 Reaksiyonun Haritalandırılması

Bu araştırma, metabolizma olarak bilinen tam reaksiyon ağını özel olarak ele alan ilk çalışma.

Bu ağ, birbirine oldukça bağlı 420 reaksiyon içeriyor ve aynı bileşiklerin çoğu sistemin birden fazla bölümünde yer alıyor. Bu bağlantılar nedeniyle, ağın zaman içinde nasıl gelişmiş olabileceğini yeniden yapılandırmak zor bir matematiksel problem oluşturuyor.

Yeni Zelanda’daki Canterbury Üniversitesi’nden Prof. Mike Steel ve Tübingen Üniversitesi’nden Prof. Daniel Huson, karmaşık ağların analizindeki uzmanlıklarını projeye getirdiler.

Araştırmacılar, metabolik reaksiyonları en basitten en karmaşığa doğru sıralamalarına olanak tanıyan bir yöntem geliştirdiler. Ortaya çıkan sıralama, en azından kısmen, bu reaksiyonların biyolojik evrimin en erken aşamalarında ortaya çıkış sırasını yansıtabilir.

Steel, “İlk soru,” diyor, “bu reaksiyonlar için benzersiz bir sıra olup olmadığıdır. Bunun var olduğunu kanıtlayabildiğimizde, onları sıralamak için algoritma uygulanabilir hale geldi.”

Tek Genetik Kod, Ama İki Yaşam Kökeni

Yaşamın nasıl başladığını anlamak, insanlığın en temel sorularından birini ele alıyor: nereden geldik, ilk canlı sistemler nerede ortaya çıktı ve Dünya’nın en eski hücreleri nasıl hayatta kalabildi?

Araştırmacılara göre, bulgularının daha geniş kapsamlı sonucu, bakteri ve arkeaların bağımsız hücresel yaşama birlikte geçiş yapmadığı. Bunun yerine, her soyun serbest yaşayan duruma ayrı ayrı ulaştığı görülüyor.

Martin: “Yeni veriler tek bir sonuca götürüyor. Bakteriyel ve arkeal soylar, serbest yaşayan duruma bağımsız olarak geçiş yaptı. Sadece serbest yaşayan hücreler canlıdır. Bunu açıkça söyleyelim: Genetik kodun tek bir kökenine, ancak yaşamın iki kökenine bakıyoruz.”

HHU’dan araştırmacılara ek olarak, uluslararası ekipte Canterbury (Yeni Zelanda), Rostock, Constance, Ottawa (Kanada), Strasbourg ve Tübingen Üniversiteleri, Marburg’daki Max Planck Yeraltı Mikrobiyolojisi Enstitüsü ve Mülheim/Ruhr’daki Max Planck Kömür Araştırma Enstitüsü ile Madrid’deki (İspanya) IMDEA Malzeme Enstitüsü’nden bilim insanları yer aldı.

Arka Plan: Bakteriler ve Arkeler

Biyologlar hücresel yaşamı genel olarak iki kategoriye ayırıyor. Ökaryotlar, çekirdek içeren gelişmiş hücreler, çekirdeksiz daha eski hücresel soylar ise prokaryotlar olarak biliniyor.

Prokaryotlar, yaşamın iki temel dalından oluşuyor: Bakteriler ve Arkeler. Bu organizmaların çoğu, çok yüksek sıcaklıklar ve aşırı asidik veya alkali ortamlar da dahil olmak üzere aşırı koşullar altında hayatta kalabilme yeteneğine sahip.

Birçoğu ayrıca okyanus tabanındaki hidrotermal bacaların çevresinde yaşar; bazı teoriler bu ortamları yaşamın ilk ortaya çıktığı olası yerler olarak tanımlar.