Bir radyoaktivite kalkanı kolay evriliyor

Bir bakteriye laboratuvarda evrim ile radyoaktiviteye karşı direnç kazandırıldı: Hem de sadece 3 değişinim (mutasyon) ile!

Televizyonun tek kanallı olduğu dönemde çocuktum ben. Merakla beklediğim, çıkınca kaçırmadığım filmlerden biriydi Superman. Lex Luthor’un Superman’i “kriptonit”e zincirlediği sahne, daha o zaman aklıma kazınmıştı.

Kriptonit radyoaktif bir maddeydi, karşısında Superman bu yüzden güçsüz kalıyordu. Peki neden yalnızca Superman’e işliyordu bu radyoaktivite de başkasına bir şey olmuyordu? Onu bilmiyorum.

Radyoaktif ışınımın canlılara zararını Hiroşima, Nagazaki ve Çernobil’de gördük. Bunları daha önce Fukuşima ve sonrası yazımda işlemiştim.

Ama doğada, bize ölümcül olan bu ışınımlara ciddi direnç gösterebilen tek hücreli canlılar var. Meselâ Deinococcus radiodurans adlı bir bakteri (kısaca D. rad., Şekil 1A), bir insanı öldürecek ışınım dozunun binlerce katından bile sağ çıkabiliyor.

İyi ama bunu nasıl yapıyor? Işınımın zarar verdiği DNA’sını daha iyi mi onarıyor? Baksan, DNA tamiri mekanizmasında yer alan proteinler aşağı yukarı koli basilinde (Escherischia coli, Şekil 1B) de var, ama tıpatıp aynı değil. Aralarındaki farklar mı ışınlara direnci yaratan, yoksa enzimlerin miktarı mı?

Bu soruların cevaplarını merak eden araştırmacılar yıllardır D. rad. üzerinde çalışıyordu. ABD’deki Wisconsin Üniversitesi’nden Michael Cox ise başka bir yol izledi: Işınıma hassas bir bakteri olan koli basilini, ışınıma direnç kazanacak şekilde laboratuvar ortamında evrimleştirdi.

Direncin kaynağı: Yıkılmayıp ayakta kalanlar

Aslında bu deneyin mantığı çok yeni sayılmaz. Daha önce bakterilerin antibiyotiklere nasıl direnç geliştirdiğinden bahsetmiştim. Bir grup bakteriyi antibiyotiğe maruz bıraktığımızda, antibiyotiğe hassas olanlar ölüyor, dirençliler ayakta kalıyor ve çoğalıyordu (Şekil 2).

Cox ve ekibi hassas koli basileriyle işe başladı. Tek bir bakteri kolonisinden çoğaltılmış 4 ayrı koli basili topluluğunu, paralel ortamlarda ve eş zamanda deneysel olarak evrimleştirdi. Bunu şöyle yaptı: Bakterileri önce gama ışınlarına maruz bıraktı, ölenler öldü, kalanlar çoğaldı. Sonra bunları yine gama ışınlarına maruz bıraktı. Bu döngüyü 19 defa tekrarladıktan sonra elindeki koli basilleri artık gama ışınlarına çok daha dirençli hale gelmişti (Şekil 3).

 Yıkılmayan nasıl yıkılmıyor?

Bu direnci sağlayan neydi? Akla ilk gelen, gama ışınlarının bir yandan bakterilerin genlerinde değişinimlere sebep olduğu, bunların bir kısmının tam da gama ışınlarının zararına karşı direnç sağladığı idi. Direnç sağlayan bu değişinimlere sahip bakteriler çoğalıyor, diğerleri ölüyor olmalıydı. Ekip bu öngörüyü sınamak için hem dirençli hem de dirençsiz bakterilerden rastgele kolonilerin genomlarını (yani genlerinin dizilimlerinin tamamını) ortaya çıkardı ve karşılaştırdı. Gama ışınları rastgele birçok değişinime yol açmıştı, ama bunlardan hangileri bakterinin kazandığı dirençle ilgili olabilirdi?

Aslında ekibin deneye bir değil, dört ayrı grupla başlamasının sebebi, karşılaşacakları bu soruydu. Direnç kazandıran genler bu dirençli grupların sadece birinde değil, birden çoğunda etkilenmiş olmalıydı. Ekip özellikle birkaç ayrı grupta etkilenmiş genleri bulup çıkardı, ve daha önceki araştırmaları tarayıp bunların işlevlerini buldu. Ortaya şöyle bir liste çıktı:

Böylece bir genom taraması sayesinde, direnç kazandırabileceğini düşündükleri 8 gen ortaya çıkmış oldu. Direncin gerçekten de bu genlerden geldiğinden emin olmak, diğer genlerin etkilerini ekarte edebilmek için daha sıkı kontrollü deneylere ihtiyaç vardı.

Bu yüzden öncelikle en baştaki dirençsiz bakterileri aldılar, bunlara yukarıdaki listedeki değişime uğramış genleri birer birer, ikişer ikişer ve üçer üçer kendileri eklediler. Sonra da genetiği değiştirilmiş bu bakterilerin gama ışınlarından ne kadar etkilendiğine baktılar. Şekil 4A’da bu deneyin sonuçlarını görüyorsunuz. Dirençsiz bakteriler gama ışınlarına tutulduğunda ancak milyonda biri hayatta kalabiliyor. DNA tamirine yarayan 3 gendeki değişinimler (RecA, YfjK, DnaB; yeşil renkli) birer birer bakteriye eklendiğinde bu oran binde birlere kadar çıkıyor, yani bu bakteriler öncekilerin 100 katı direnç gösteriyor. Son olarak, 3 değişinimi birden taşıyan bakterilerin yüzde biri hayatta kalıyor, yani üç genin birden değişinimi, bakteriye 1000 kat direnç kazandırıyor.

Ayrıca, ilk deneyde 20 döngüden direnç kazanmış bakterileri alıp bunlardan yukarıdaki listedeki değişimleri birer birer, ikişer ikişer ve üçer üçer kendileri çıkardılar (Şekil 4B, kırmızı renkli yazılar). Yine, DNA tamirine dair genlerdeki değişinimler çıktıkça (yani genler normalleştikçe) bakterinin direnci azalıyor, üçü birden normale dönünce de bakterinin kazandığı direnç tamamen kayboluyor.

Şekil 5’te ise bir yarışın sonucunu görüyorsunuz. 3 gen değişinimine bağlı olarak 1000 kat direnç kazanmış olduğunu Şekil 4A’da gördüğümüz bakteriler, dirençsizlerle yan yana ekilip gama ışınları altında onlarla yarıştırıldığında, dirençli bakterilerin (beyaz renkli) dirençsizlerden (oklarla gösterilen, kırmızı) çok daha fazla çoğalabildiği görülüyor.

Üç yeni yararlı değişinim

Yani, koli basilinin gama ışınlarına karşı kazandığı bu olağanüstü direnç, yalnızca 3 değişinimle açıklanabiliyor. Bu ilginç, ama büyük bir sürpriz değil.

İnsanlarda Y kromozomu üzerinde yapılan bir araştırmaya göre bir babadan oğluna 100-200 arası yeni değişinim geçiyor. Yaygın bilginin aksine, bunların ezici çoğunluğunun canlıya olumlu veya olumsuz bir etkisi yok.

Bu araştırmadaki gibi canlıya avantaj sağlayan değişinimlerin en önemli örneği, Michigan Eyalet Üniversitesi’nden Richard Lenski’nin “Uzun Vadeli Evrim Deneyi”nden geldi: Lenski ve ekibi, yukarıdaki deneye benzer olarak, laboratuvarda 26 yıldır koli basilinin evrimini izliyor. Bu bakteri topluluklarından bazıları yıllarca ufak değişikliklerle içinde bulundukları ortamdaki az miktardaki glukozu en iyi şekilde kullanacak şekilde evrilirken, bir grup bakteri ortamdaki sitrik asiti de kullanmasını sağlayan değişinimlere uğradı. Bu bakteri ve ardılları, bu atılımla elde ettikleri avantaj sayesinde daha çok çoğaldı ve ortamı ele geçirdi. Daha fazlasını bu yazıda okuyabilirsiniz.

Peki ama D. rad. gibi canlıların radyoaktif ışınıma karşı doğal dirençleri de bu değişinimlere mi bağlı? Peki, Dünya yüzeyinde o kadar da yüksek seviyede gama ışınımı gözlenmezken D. rad. neden böyle bir evrim geçirdi? Belki de Cox’un ekibinden birileri şimdi bu soruların cevaplarını arıyordur.

Belki de Çernobil’in, Fukuşima’nın enkazının çevresinde bu tür değişikliklerden geçen mikroorganizmalar bulunabilir. Hattâ başka mikrorganizmalara bu direnci genetik yöntemlerle biz aşılayıp onları Çernobil’in, Fukuşima’nın etrafını temizlemekte kullanabiliriz belki de.

Ama DC Comics bunu Superman’e yapmaz bence. Zaafsız kahraman mı olur?

Kaynaklar ve notlar

• R. T. Byrne vd., 2014. Evolution of extreme resistance to ionizing radiation via genetic adaptation of DNA repair. eLife 3:e01322 (İlgili araştırma makalesi)
• S. J. Sandler, 2014. DNA repair: Vive la résistance! eLife 3:e02387 (Araştırma makalesinin bir değerlendirmesi)
• Ç. Yalgın, 2010. Yararlı değişinimler (mutasyonlar). Evrim Çalışkanları
• Z. D. Blount vd., 2008. Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105:7899
• Z. D. Blount vd., 2012. Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature 489:513 (Bu yazıda bu makaleye değinmedim, ancak Lenski deneyindeki evrilen bakterilerin uzun dönemde tüm genomlarının nasıl değiştiğini öğrenmek isteyenler okuyabilir.)
• J. E. Berrick vd., 2009. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature 461:1243
• S. Novella, 2009. What’s your mutant power. NeuroLogica Blog
• Şekil 1: Gross, 2007 ve Cheung vd., 2012
• Şekil 2: Yalgın, 2012
• Eleştiri ve katkıları için Betül Kacar’a çok teşekkürler.