RNA Dünyasında Hayat Başladı mı?

Quanta’nın önceliklendirilmesini Google’a bildirmek ve arama ile yapay zekâ sonuçlarında bilimin ve matematiğin en iyi kapsamlı haberlerini daha sık görmek için tıklayın.

Bilim insanlarının bazıları, yaşamın ilk molekülünün bir RNA zinciri olduğunu düşünüyor.

Mark Belan/Quanta Magazine

Giriş

Bu açıklayıcı metin, Quanta Magazine‘ın Yaşamın Kökenleri Haftası’nın bir parçasıdır. Hafta boyunca bilimdeki en büyük belirsizliklerden biri hakkında daha fazla haber için sitemizi takip edin.

Yeryüzünün neredeyse hiçbir köşesinde yaşamın yerleşmediği bir yer yoktur. Canlı organizmalar bulutları, iklimi hatta kayaları şekillendirir. Ancak yaklaşık 4 milyar yıl önce çorak bir gezegende yaşamın ilk kez nasıl ortaya çıktığı, bilimin en büyük sorunlardan biri olarak kalmaya devam ediyor. Birçok araştırmacı, kendini kopyalama yeteneği — genetik bilgiyi güvenilir biçimde depolama ve kopyalama kapasitesi — yaşamın en öz yeteneği olduğuna inanıyor. Eğer böyleyse, en erken yaşam-formlarının, günümüzde yaşamın genetik bilgiyi depolamak ve kopyalamak için kullandığı türde biyomoleküllere ihtiyaçları olmuş olmalı.

Bu sürecin yıldızı DNA molekülüdür; hücredeki kimyasal reaksiyonları olanaklı kılan protein moleküllerinin biçimlerini kodlar. DNA’daki genetik bilgiyi proteinlerin kimyasal yapısına çevirmek için hücreler RNA kullanır. Sorun şu ki, modern hücrelerde proteinler bu sürecin her aşamasına dahil: Hücreler bölünürken DNA’yı kopyalarlar, DNA’yı RNA’ya transkripte ederler ve RNA’yı daha fazla protein üretmek için kullanmaya yardımcı olurlar. Bu, yumurta-tavuk ikilemini yaratır: Faydalı proteinler DNA olmadan hücrelerde üretilemez, ancak DNA ilk başta proteinler tarafından üretilir.

1980’lerin sonunda RNA ile ilgili yapılan bir keşif, çıkmazı aşmış gibi görünüyordu. Araştırmacılar, bazı RNA’ların genetik bilgiyi proteinlere dönüştürmeye yardımcı olmanın ötesinde, kimyasal tepkimeleri mümkün kılan katalizörler olarak da görev yapabildiğini buldu. Protein katalizörler olan enzimlere atıfla bu moleküllere ribozim adı verildi. Ribozimlerin varlığı, RNA’nın hem genetik dizi bilgisini taşıyabileceğini hem de katalizör olarak işlev görebileceğini, böylece hem DNA’nın hem de proteinlerin işlerini yapabildiğini gösteriyordu. Bu durum, en erken dönemlerinde hayatın — ya da onu önceden hazırlayan karmaşık kimyanın — tamamen RNA ile ilgili olabileceğini makul kılıyordu. Fizikçiden biyoloji uzmanına dönüşen Walter Gilbert’in önderliğini yaptığı bu görüşe göre hayat bir RNA dünyası olarak başladı.

Hayal edin: prebiotik Dünya üzerinde bir yerde, tek tek nükleotid molekülleri ortaya çıktı ve zincirler halinde kendiliğinden ve rastgele birleşti. Bir gün, tesadüfen, bu nükleotid zincirlerinden biri, diğer RNA’ların oluşumuna yardımcı olabilecek bir ribozim olarak işlev görecek doğru diziyi edindi. Böyle bir prebiotik ribozim, kendini eşleyebilen oto-katalizör olarak bile işleyebilirdi. 1996 yılında, araştırmacıların tek tek nukleotidleri birleştirerek RNA oluşturabilen bir ribozim üretmesiyle bu teori güçlendi. Bu da kendini eşleyebilen RNA ihtimalini ön plana çıkardı.

Bu tür bir çoğalma, moleküler dünyanın rastgele gürültüsüne karşı hassas olacağından hatalar meydana gelirdi. Bazı çoğalan RNA’lar, kendilerini üreten ana molekülden biraz farklı bir dizie sahip olurdu. Bu mutasyonlarla Darwinci evrim mümkün hale gelirdi: Doğal seçilim, kopyaları daha hızlı üreten mutan eşleyicileri tercih ederdi.

Bu ilkel, evrim geçiren moleküler sistemler kendi başlarına “canlı” olmazdı. Yine de bazı RNA moleküllerinin metabolik süreçleri katalize eden ya da diğer karmaşık biyomoleküllerin oluşumuna katkı sağlayan biçimlere evrimleşmesi nasıl mümkün olabilirdi, kolayca hayal edilebilir; ve oradan ilk gerçekten yaşayan protosel’lere giden yol belirginleşir.

RNA dünyası olarak adlandırılan bu fikir, teori düzeyinde iyi görünüyor. Ancak hipotezin başında bazı problemler var. 2019 yılında Salk Enstitüsü’nden RNA biyolojisi uzmanı Gerald Joyce ve arkadaşları, laboratuvarda yeni ribozimler üretmek için bir yöntem araştırıyorlardı. Öncelikle başka RNA’ları üretebilen sentetik ribozimler oluşturdular. Ardından bu ribozimlerin dizilerini, yapay evrim geçirmelerine olanak tanıyacak şekilde biraz karıştırdılar. Sonunda “evrimleştiği” RNA’yı sentezleyebilen bir ribozim bulmayı başarsalar da, Joyce ve arkadaşları her evrim turunda ortaya çıkan mutasyonların katalitik özelliği ortadan kaldırma eğiliminde olduğunu fark ettiler. Her ardıl nesilde, başka RNA molekülleri inşa etme yeteneğini koruyan çok az sayıda mutasyon vardı. Toplamda deneyler, kendiliğinden süregelen RNA evriminin zor bir süreç olduğunu düşündürüyor.

Daha da önemlisi, Joyce’ın tüm ribozimleri büyüktü; yaklaşık birkaç yüz kadar birbirine bağlı nükleotidden oluşuyordu. Oysa güncel deneyler, yalnızca nispeten küçük — yaklaşık 10 ila 15 nukleotid uzunluğundaki RNA’ların kendiliğinden bir araya gelmesini sağlayabildi. Küçük, parçalı RNA’ların rastgele bir araya gelmesinden, büyük moleküllerin oluşabildiği, daha da önemlisi çoğalıp evrimleşebildiği bir RNA dünyasına geçmek büyük bir sıçrama. İşte böyle moleküllerin rastgele bir araya gelip, sonra bir tür ilkel havuzda kendiliğinden süregelen bir yapı sergileme olasılığı son derece küçük görünüyor.

Ancak RNA-dünyasına kesin inanların umutlu kalmaları için bazı nedenleri var. Birleşik Krallık’taki MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’ndan biyolog Philipp Holliger ve meslektaşlarının son çalışmaları, kendiliğinden kopyalanan RNA’ların Joyce’ın ribozimleri kadar büyük olmak zorunda olmadığını gösterdi. Kendi RNA yapay evrim deneylerinde Holliger’in ekibi, katalitik aktiviteyi 20 ile 40 nükleotid uzunluğundaki küçük RNA’larda aradı ve mutasyonun her döngüsünde uzunlukta küçük değişikliklere izin verdi. Başka bir RNA zincirini ele alıp kopyalayabilen ve kendilerine “quite tiny” (“oldaca küçük”) anlamına gelen QT45 adını verdikleri 45 nukleotidlik bir molekül buldular. “Prensip olarak herhangi bir diziyi kopyalayabilir,” dedi Holliger. Ve 45 nukleotidlik bir molekülün kendiliğinden ortaya çıkmasının “mantıklı bir istek olmadığı” görünüyor,” diye ekledi. Aslında araştırmacılar, QT45 iki parçaya bölünse bile katalitik aktivitenin sürdürülebileceğini söylüyor, çünkü parçaların işlerini yapmaya devam edebilmesi gerekiyor.

Araştırmacılar ayrıca, yaklaşık 10 trilyon farklı molekül içeren bir başlangıç havuzunda benzer aktiviteye sahip iki küçük RNA daha buldular. Bu kadar çok molekülün, bu uzunluktaki tüm olası RNA dizilerinin sadece yüz milyarlık birini içerdiğini göz önüne aldığında, bu aslında oldukça iyi bir isabet oranı, dedi Holliger. Bu, küçük RNA’lardaki bu tür kendiliğinden kopyalama yeteneğinin, böyle moleküllerin belli bir ilkel çorbada rastgele RNA’lar arasında oldukça kolayca ortaya çılabileceği kadar yaygın olabileceğini ima ediyor.

Bu “bilinemez” çok şey yüklendi. Erken Dünya’da ya coğrafi ya da zamansal olarak bir RNA-dünyası için bir niş olup olmadığı bilinmiyor. Holliger ve meslektaşları, üstel büyümeye yol açan RNA replikasyon döngülerinin, asiditedeki döngüsel değişimlerle çözeltinin donma ve çözülme döngüleriyle sürülebileceğini gösterdi — genç Dünya’nın buzlu kutuplarında makul bir senaryo. Ama herhangi bir potansiyel yaşam alanı, bir hayat kıvılcımının tutması için yeterli kadar uzun süre yaşam dostu olmuş olmalıydı.

Belki de en önemlisi, bir RNA dünyasının gerçekten canlı sayılıp sayılamayacağının belirsiz olmasıdır. Canlılık, yalnızca genetik bilgi taşıyan ve kendini eşleyen taşıyıcılardan ibaret değildir; belirli bir metabolizma biçiminin varlığı gibi, ortamdan enerji elde edip bunu kullanışlı moleküller üretmek için gereken başka ögeler de gerekir. Canlılık nasıl başladıysa, büyük ihtimalle yalnızca bir nükleotid dizisinden daha fazlasına ihtiyaç vardı.