Yaşam genlerden önce metabolizmayla mı başladı?

Düsseldorf merkezli bir ekibin deneyinde kapalı bir kaba hidrojen gazı, karbondioksit ve üç mineral konuyor: greigit, manyetit ve awaruit. Kap 100 °C'ye ısıtılıyor. İçeride enzim, gen, zar ya da hücre yok. Sonunda kapta 200 milimolara kadar format (formik asidin tuzu), ayrıca asetat ve piruvat birikmiş oluyor. Piruvat, canlı hücrelerin kullandığı bir ara madde.

Bu deney, yaşamın kökeni üzerine iki büyük bakıştan birinin laboratuvardaki sınavı. Bir tarafta "önce bilgi taşıyan molekül vardı" diyenler duruyor. Öbür tarafta "önce enerji akışıyla dönen basit kimya vardı, genler sonra geldi" diyenler. İkinci görüşün adı metabolizma-önce kuramı. Quanta Magazine, "Yaşamın Kökeni Haftası" dizisinde bu kuramı Jake Buehler imzalı bir açıklayıcı yazıyla anlattı; aynı dizide RNA dünyası ve kabarcık hipotezi için de yazılar var.

Aşağıda kuramın nereden çıktığını, 2020'deki iki deneyin neyi gösterip neyi göstermediğini ve hâlâ açık kalan soruyu sırayla anlatıyorum.

Fikir: enerji akarsa düzen doğar

Kuramın en eski dayanaklarından biri 1968'e gider. Amerikalı biyofizikçi Harold Morowitz, Energy Flow in Biology adlı kitabında bir sistemin içinden geçen enerjinin o sistemi düzenlediğini ileri sürdü. Fikri yaşamın başlangıcına uygularsanız şöyle bir tablo çıkar: dışarıdan gelen bir enerji kaynağı, basit molekül ağlarını zamanla kendini sürdüren tepkimelere itmiş olabilir.

Düsseldorf'taki Heinrich Heine Üniversitesi'nden evrimsel biyolog William Martin, kuramı Quanta'ya şu sözlerle özetledi: "Sistemin içinden geçen enerji, yaşamın pek çok görünümüyle kendisidir." Genler, katalizörler ve zarlar bu görüşte sonradan, o akışın etrafında ortaya çıkar.

Okyanus tabanındaki "yaralar" ve demir-kükürt dünyası

Kuram, 1970'lerin sonunda derin deniz araçları okyanus tabanında hidrotermal bacalara rastlayınca sağlam bir zemin buldu. Quanta bu bacaları deniz tabanındaki yaralara benzetiyor: yerkabuğu içinde ısınmış, çözünmüş metallerle dolu su oradan fışkırıyor.

Kuramı kimyasal bir tarife çeviren isim Günter Wächtershäuser oldu. 1938 doğumlu Wächtershäuser, kimya doktorası olan ve 1970'ten beri Münih'te uluslararası patent avukatlığı yapan bir kişi. Ona göre baca çevresindeki demir sülfür mineralleri kimyasal katalizör işi görmüş olabilirdi. 1990'da "Evolution of the First Metabolic Cycles" başlıklı makalesini, 1992'de de "demir-kükürt dünyası"nı anlattığı çalışmasını yayımladı. Bilim felsefecisi Karl Popper'ın onu yayın yapmaya teşvik ettiği biliniyor.

Önerinin merkezinde asetil-CoA yolu var. Bazı modern mikroplar bu yolu karbondioksit ve hidrojenden karmaşık organik moleküller üretmek ve enerji elde etmek için kullanıyor. Wächtershäuser'in tablosunda bu yolun ilkel bir biçimi hidrojenden aldığı enerjiyle karbon bileşikleri üretiyor, metal katalizör döngüyü ayakta tutuyor, ürünler giderek daha karmaşık hâle geliyor ve bunların hepsi kalıtım mekanizması ortada yokken oluyor.

Birinci deney: sıcak, alkali, mineralli

Martina Preiner, William Martin ve ortaklarının Mart 2020'de Nature Ecology & Evolution dergisinde yayımladığı çalışma, bu tabloyu laboratuvara taşıdı. Ekipte Heinrich Heine Üniversitesi, Mülheim'daki Max Planck Kömür Araştırma Enstitüsü, Strazburg Üniversitesi ve Japonya'daki Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar vardı.

Makalenin özetine göre kullanılan hidrojen, alkali hidrotermal bacalarda "serpantinleşme" denen eski bir jeokimyasal süreçle oluşuyor: su, yerkabuğunun derinlerindeki demirli minerallerle tepkimeye giriyor. Hidrojen de asetil-CoA yolunda elektron veren madde. Atlantik'teki Lost City gibi alkali baca alanlarında akışkan pH'ı 9'un üzerine çıkıyor ve serpantinleşme bölgenin kimyasını belirliyor. Greigit (Fe3S4), manyetit (Fe3O4) ve awaruit (Ni3Fe) bu bacalarda bulunan mineraller. Ekip üçünün de karbondioksiti hidrojenle bağlayabildiğini gösterdi.

Ürün	Ölçülen en yüksek değer
Format	200 mM
Asetat	100 µM
Metanol	100 µM
Piruvat	10 µM
Metan	üretildi (değer makale özetinde verilmiyor)

Tablodaki veriler, makalenin özetindeki "en fazla" değerlerden derlendi. Rakamlar bir şeyi açıkça gösteriyor: zincirin başındaki format bol, ama sonuna doğru verim hızla düşüyor. Piruvat, format miktarının yaklaşık 20 bin katı kadar az. Yani hammaddeden asetil-CoA yolunun "omurgası"na giden yol açılıyor, ama o yol yalnızca bir damla akıyor.

Preiner basın açıklamasında tepkimelerin "şaşırtıcı derecede basit" olduğunu, mikrobiyal metabolizmaya gerek bulunmadığını söyledi. Quanta'ya ise bulguların, başka hiçbir şey yokken bu tepkimelerin başlayabileceğini gösterdiğini anlattı; burada "başka hiçbir şey"e RNA ve proteinler de dahil.

İkinci deney: ılık su, metalsiz

Aynı yılın Ekim ayında Nature Chemistry'de bambaşka bir yol çıktı. Scripps Research'ten Ramanarayanan Krishnamurthy ve Mahipal Yadav ile Furman Üniversitesi'nden Greg Springsteen ve Trent Stubbs, iki küçük molekülle yetindi: piruvat ve glioksilat.

Koşullar bacadan çok uzak. Deney 0,5 molar fosfat tamponunda, pH 7'de, 50 °C'de ve 21 saat boyunca yürüdü. Başlangıçta 200 milimolar piruvat vardı, glioksilat da ona göre üç kat fazlaydı. Katalizör olarak ne metal ne enzim kondu. Tek kapta beş ürün oluştu ve hepsi, yaşayan hücrelerde sitrik asit (Krebs) döngüsünün ters yönde işleyen biçiminin ara maddelerinin ketoasit benzerleriydi. Makale, dönüşümlerin ters Krebs döngüsüyle aynı sırada ilerlediğini, glioksilatın hem karbon kaynağı hem indirgeyici olarak görev yaptığını belirtiyor.

Oluşan ketoasit	Verim
Malatın ketoasit benzeri (malloil format)	%39
Fumaratın ketoasit benzeri	%6
Alfa-ketoglutarat	%5
İzositratın ketoasit benzeri	%5
Akonitatın ketoasit benzeri	%2
Toplam	%57

Veriler makalenin tam metninden alındı. Bunlar döngünün gerçek ara maddeleri değil, "benzerleri"; bu ayrım makalenin kendisinde de yapılıyor. Yine de doğrudan kıyaslanabilecek bir yapı çıkıyor ortaya.

Ekip bir adım daha attı: ketoasitler glisinle birlikte amino asit yapımına da uzanabiliyor. Makaleye göre bu, günümüz metabolizmasındaki transaminasyona benzeyen doğal bir yol ve metal katalizli "indirgeyici aminasyon" ihtiyacını ortadan kaldırıyor.

Scripps'in açıklamasına göre Krishnamurthy ve Springsteen metalsiz yolu bilerek seçti: öne sürdükleri gerekçe, önceki modellerde katalizör olarak düşünülen yüklü demir atomlarının erken Dünya koşullarında fazla tepkimeye girgen olup hedef molekülleri yok edebileceği. Springsteen şöyle konuştu: "Modern biyolojiyle çarpıcı benzerlikler taşıyan bir yolun suda, basit başlangıç maddeleriyle ilerleyebilmesi, böyle bir şeyin yaşamın kökeninde ya da yakınında etkin olabileceği fikrini destekliyor."

İki deney yan yana

Ölçüt	Preiner, Martin ve ekibi	Stubbs, Yadav, Krishnamurthy, Springsteen
Başlangıç	Hidrojen ve karbondioksit gazı	Piruvat ve glioksilat
Katalizör	Greigit, manyetit, awaruit	Yok (metalsiz, enzimsiz)
Sıcaklık	100 °C, alkali su	50 °C, pH 7
Hedef	Asetil-CoA yolunun omurgası	Ters Krebs döngüsünün ketoasit benzerleri
Dergi, tarih	Nature Ecology & Evolution, Mart 2020	Nature Chemistry, Ekim 2020

İki çalışma birbirine rakip görünse de aynı soruya farklı kapılardan giriyor. Biri, canlılığın enerji akışı için hâlâ kullandığı en eski yola mineral yüzeylerinden başlıyor. Öbürü, daha ılık bir ortamda, madenin hiç gerekmediği bir yoldan ilerliyor. Quanta'nın yorumuyla ikincisi metabolizmanın bir derin deniz potasında değil, ılık bir havuzda da başlayabileceğini düşündürüyor.

Neyi göstermiyorlar?

İki deney de bir şeyi gösteriyor: yaşam kimyasının kilit molekülleri enzimler olmadan da oluşabiliyor. Göstermedikleri şey ise bu tepkimelerin erken Dünya'da kendi kendini sürdüren bir ağa dönüşüp dönüşmediği. Quanta, bu konuda iyi oturmuş bir anlayışın bulunmadığını, ilk metabolik tepkimelerin karmaşıklık geliştirecek kadar nasıl kararlı hâle geldiğinin bilinmediğini yazıyor. Krebs çalışmasında ise iki başlangıç molekülünün erken Dünya'da nereden geldiği deneyin kendisinin yanıtladığı bir soru değil; deney bu iki molekülü hazır alarak başlıyor.

Üstelik metabolizma ile kalıtım arasındaki bağ da kurulmuş değil. Birbirini bozmadan yan yana yürüyebilen ilkel tepkimelerin genetik bilgiyle nasıl buluştuğu açık. Krishnamurthy bunu Quanta'ya şöyle anlattı: "Bunları nasıl karıştıracağız ki, analiz edemeyeceğimiz bir karmaşa çıkmasın?"

Sırada ne var?

Bundan sonraki adım, sıcak ve ılık yolların hangisinin daha olası olduğunu seçmekten çok, bu tepkime kümelerini bir arada tutup tek bir sistem olarak çalıştırmak. Sistem kendini yenileyebilir mi, yan ürünler döngüyü tıkar mı, RNA ya da proteinler bu işe ne zaman ve nasıl karışır? Metabolizma-önce kuramı bugün bir kanıt değil, laboratuvarda sınanabilen bir iş programı. Bu da onu tartışılır kılan şey.

Fotoğraf: National Science Foundation (University of Washington/Woods Hole Oceanographic Institution), Public domain, Wikimedia Commons