Yutulan Bakteri Organel Oluyor: Nitroplast

Bölüm metni

Hücrenizdeki mitokondri, bir zamanlar yutulmuş ama sindirilmemiş bir bakteriydi. Bu, canlılık tarihinde sadece birkaç kez olmuş sayılıyordu — ve hepsi milyarlarca yıl öncesinde kalmıştı. Şimdi okyanusta, gözümüzün önünde, bir bakteri tam da bu dönüşümün ortasında yakalandı.

Soluduğunuz havanın yüzde 78'i azot. Ciğerlerinize doluyor, kanınıza karışmadan geri çıkıyor. Vücudunuzdaki her protein, her DNA harfi azot içerir; ama atmosferdeki o devasa azot deposundan tek bir atomu bile kendiniz alamazsınız. Çünkü havadaki azot, iki atomun üçlü bir bağla birbirine kenetlenmesinden oluşur ve bu bağ, doğanın en inatçı kilitlerinden biridir. Onu kırmak için ya yıldırımın sıcaklığı, ya yüksek basınçlı bir sanayi tesisi, ya da çok özel bir enzim gerekir.

O enzimin adı nitrojenaz. Ve milyarlarca yıldır yalnızca bakterilerde bulunur. Bitkilerde yok, mantarlarda yok, hayvanlarda yok. Çekirdekli hücrelerden oluşan bizim kolumuz, yani ökaryotlar, bu numarayı hiçbir zaman öğrenemedi. Bahçedeki fasulyenin köklerinde azot bağlanıyorsa, bunu fasulye değil, köklerdeki yumrularda yaşayan bakteriler yapar. Bitki kiracısını besler, kirasını amonyak olarak alır. Ama kiracı hep kiracı kalır, kendi DNA'sıyla, kendi zarıyla, kendi hayatıyla.

1998'de Kaliforniya Üniversitesi'nden Jonathan Zehr, Pasifik'ten aldığı su örneklerinde nitrojenaz genine ait bir DNA dizisi buldu. Sıradan bir sonuç olacaktı, ama dizi bilinen hiçbir canlıya ait değildi. Bir siyanobakteriden geliyordu, o kadarı belliydi. Ama o siyanobakteri hiçbir laboratuvarda büyütülemiyordu. Adını, kültüre edilemeyen A grubu siyanobakteri anlamına gelen kısaltmasıyla koydular. Bundan sonra ona kısaca A grubu diyeceğim.

Yıllar içinde A grubunun genomu okundu ve ortaya tuhaf bir tablo çıktı. Genom inanılmaz küçüktü: yaklaşık 1 milyon 400 bin baz çifti. Tipik bir siyanobakterinin genlerinin yüzde 80'i yoktu. Ama eksikler rastgele değildi. Fotosistem 2 yoktu, yani suyu parçalayıp oksijen üreten düzenek. RuBisCO yoktu, yani havadaki karbondioksiti şekere çeviren o meşhur enzim. Calvin döngüsü yoktu. Sitrik asit döngüsü yoktu. Yani bu siyanobakteri fotosentez yapamıyor, karbon bağlayamıyor, kendi yakıtını kendi yakamıyordu.

Bir siyanobakteri düşünün ki siyanobakteri olmanın neredeyse tüm tanımlarını kaybetmiş. Geriye ne kalmıştı? Nitrojenaz. Eksiksiz, kusursuz, tam kadro azot bağlama makinesi. Bu canlı tek bir işi yapmak üzere soyulmuştu.

Üstelik kayıpların bazıları kayıp bile sayılmazdı. Nitrojenaz oksijene karşı son derece kırılgandır; serbest oksijenle temas ettiğinde işlevini yitirir. Azot bağlayan siyanobakteriler bu yüzden hayatlarını akrobatik çözümlerle geçirir: kimisi işi gece yapar, kimisi kalın duvarlı özel hücreler inşa eder. A grubunun çözümü daha radikaldi. Oksijen üreten düzeneği tamamen çöpe atmıştı. Kendi içinde oksijen yoktu, dolayısıyla nitrojenazı korumak için hiçbir numaraya gerek yoktu.

Ama o zaman şu soru kalıyordu: karbonu, enerjiyi, amino asitleri nereden alıyordu? Cevap, bu hücrenin tek başına yaşamadığıydı. 2010'ların başında yapılan çalışmalar, A grubunun denizde küçük bir alge yapışık halde bulunduğunu gösterdi. Konağın kimliğini netleştirmekse çok daha zordu, çünkü o alg de laboratuvarda büyütülemeyenler kulübündendi.

Bu düğümü çözen, Japonya'daki Kochi Üniversitesi'nden paleontolog Kyoko Hagino oldu. Hagino, 300'ü aşkın örnekleme seferi boyunca kıyı sularından örnek topladı ve nihayet konak algi kültürde büyütmeyi başardı. Alg, Braarudosphaera bigelowii adını taşıyor; bundan sonra ona kısaca konak alg diyeceğim.

Konak alg, kokolitofor denen gruptan tek hücreli bir deniz yosunu. Yaklaşık 10 mikrometre çapında, yani bir kum tanesinin yanında görünmez. Etrafını beşgen simetrili 12 kalker levhayla sarmış; bu levhalar bir araya gelince hücre düzgün bir on iki yüzlüye benziyor. Denizde yüzen, kireçten yapılmış minik bir zar. Fosil kaydı Geç Kretase'ye, yani dinozorların son dönemine kadar geri gidiyor.

İşte o on iki yüzlünün içinde, iki kloroplastın ve bir mitokondrinin yanında, A grubu duruyordu.

Ve tam burada biyolojinin en eski tanım sorunlarından biri masaya yatırıldı. Bir hücrenin içinde yaşayan başka bir hücre nedir? Bir konuk mu? Bir kiracı mı? Yoksa artık bir organ mı? Mitokondrilerimiz de bir zamanlar serbest yaşayan bakterilerdi; kloroplastlar da öyle. O geçişler bir buçuk milyar yıl önce oldu ve izleri çoktan silindi. Elimizde sadece sonuç var, süreç yok.

A grubu ise çok daha yeni. O kadar yeni ki, dikiş yerleri hâlâ görülebiliyor.

Bir iç simbiyontu organelden ayıran çizgi nerede? Biyologların üzerinde uzlaştığı iki temel ölçüt var.

Birincisi protein meselesi. Bir iç simbiyont, ihtiyacı olan proteinleri kendi genomundan kendisi üretir. Bir organel bunu yapmaz. Mitokondrinizin içinde çalışan proteinlerin ezici çoğunluğu mitokondri genomunda değil, hücre çekirdeğinizde kodlanır. Çekirdek talimatı verir, protein hücrenin ana gövdesinde üretilir, üzerine kısa bir adres etiketi eklenir ve bu etiket sayesinde protein mitokondriye taşınıp içeri sokulur. Yani organel, kendi işçilerini kendi yetiştirmez; onları ithal eder.

İkincisi bölünme meselesi. Bir iç simbiyont kendi takvimine göre çoğalır; konak onu her nesilde yeniden yutmak zorunda kalabilir. Bir organel ise hücrenin bölünme koreografisinin içine yerleşmiştir. Hücre bölündüğünde her yavru hücreye düşen payı alır, çünkü bu bir tesadüf değil, programın bir adımıdır.

2024 Nisanında Science dergisinin kapağına taşınan çalışma, tam da bu iki soruyu sordu. Ekibi, Zehr'in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Tyler Coale yönetti.

Önce proteinler. Araştırmacılar, A grubunun içinde bulunan proteinlerin tam envanterini çıkardılar ve bu envanteri iki genomla karşılaştırdılar: bakterinin kendi genomuyla ve konak algin genomuyla. Sonuç çarpıcıydı. A grubunun içindeki proteinlerin yaklaşık yarısı, A grubunun kendi genomunda kodlanmıyordu. Konak algin genomunda kodlanan 350'den fazla protein, algin geri kalanına kıyasla bakterinin içinde çok daha yoğun bulundu.

Dahası, bu ithal proteinlerin ne işe yaradığına bakıldığında tablo yerine oturdu. Amino asit üretiminde, nükleotid üretiminde görev alan enzimlerdi bunlar. Yani A grubunun genomundan attığı yolların tam olarak eksik kalan basamakları. Bakteri bir şeyi çöpe atmış, konak o boşluğu doldurmuştu. Zehr bunu, parçaları birbirine oturan sihirli bir yapboza benzetmişti. Üstelik bu proteinlerin bir kısmında, onları hedefe yönlendiren adres etiketleri de tespit edildi.

Sonra bölünme. Burada devreye bambaşka bir teknoloji girdi: yumuşak X-ışını tomografisi. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndaki İleri Işık Kaynağı adlı hızlandırıcı tesisinde, Carolyn Larabell'in geliştirdiği bu yöntem, hücreyi kesip boyamadan, bütün ve donmuş halde üç boyutlu görüntülemeye izin veriyor. Valentina Loconte, çok sayıda konak alg hücresini bu yöntemle inceledi ve hücre döngüsünün farklı anlarını yakaladı.

Görüntüler, bölünmenin belirli bir sırayla ilerlediğini ortaya koydu: önce mitokondri, sonra A grubu, sonra çekirdek, en sonda kloroplastlar. A grubu, hücrenin iç organlarının bölünme sırasına girmişti. Ve her yavru hücre, kendi payına düşen kopyayı alıyordu. Larabell'in ifadesiyle, konakla simbiyontun kopyalanması ve bölünmesi eşzamanlıydı.

Bir ay önce, hücre biyolojisinin önde gelen dergilerinden Cell'de yayımlanan başka bir çalışma da aynı yöne işaret ediyordu. Francisco Cornejo-Castillo ve arkadaşları, farklı A grubu alt soylarında bakteriyle konağın boyut oranının şaşırtıcı ölçüde sabit kaldığını gösterdi. Metabolik modelleme, bu belirli oranın ikilinin ortak büyüme hızını en üst düzeye çıkardığını ortaya koyuyordu. Zehr'in dikkat çektiği nokta şuydu: organeller de tam böyle davranır. Mitokondri ve kloroplast, hücreyle birlikte ölçeklenir. Serbest yaşayan bir bakterinin, konağının boyutuna göre kendini ayarlaması için hiçbir sebep yoktur.

Üç kanıt bir araya geldiğinde, ekip bu yapıya bir isim verdi: nitroplast. Kloroplastla kurulan benzetme kasıtlıydı. Kloroplast ışığı işleyen organel; nitroplast azotu işleyen organel.

Bu, bildiğimiz dördüncü birincil iç simbiyoz vakası. Birincisi mitokondri, ikincisi kloroplast, üçüncüsü Paulinella adlı bir tatlı su amibinin içindeki fotosentez organeli. Dördüncüsü ise bu.

Ve zamanlama açısından en ilginci de bu. Nitroplastın iki ana soyu, A1 ve A2, yaklaşık 90 milyon yıl önce birbirinden ayrılmış. Ortaklığın kendisi ise kabaca 100 milyon yıllık. Kretase dönemi. Mitokondrinin bir buçuk milyar yıllık yaşının yanında bu, neredeyse dün demek. Bir buçuk milyar yıl, bir dönüşümün bütün ara basamaklarını silmeye yeter. 100 milyon yıl yetmiyor. Nitroplast, bize evrimin bir hücreyi nasıl organa çevirdiğini canlı canlı, süreç hâlâ işlerken gösteriyor.

Bu keşfin laboratuvar dışındaki anlamını görmek için okyanusun nasıl çalıştığına bakmak gerekiyor.

Açık denizin geniş bölgelerinde hayatı sınırlayan şey ışık ya da karbon değil, azottur. Yüzey suları sürekli olarak azot bakımından fakirdir, çünkü canlılar onu tüketir ve ölen hücreler onu derinlere taşır. Bu suları yeniden verimli kılan şey, havadaki azotu bağlayıp suya veren mikroplardır. Onlar olmasa, okyanusun büyük kısmı bugünkünden çok daha ıssız olurdu.

Nitroplast taşıyan konak alg, bu iş kolunun en yaygın oyuncularından biri. Tropik sulardan kıyı sularına, hatta soğuk kuzey denizlerine kadar geniş bir alanda bulunuyor. Ölçümler, nitroplastın bağladığı azotun yüzde 85 ile 95'inin konağa aktarıldığını gösteriyor. Yani bu ortaklık son derece verimli. O alg bir başka canlı tarafından yendiğinde ya da öldüğünde, havadan çekilmiş azot besin ağına karışıyor. Zehr'in deyişiyle bu, sahadaki oyunculardan yalnızca biri değil.

Tablonun diğer ucunda insanlık var. Havadaki azotu sanayi ölçeğinde kırmayı 20. yüzyılın başında öğrendik; Haber-Bosch yöntemi, yüksek sıcaklık ve basınç altında azotu amonyağa çeviriyor. Bugün dünya gıda üretiminin yaklaşık yarısı bu yöntemle üretilen gübreye dayanıyor. Bedeli de ağır: amonyak sentezi tek başına küresel sera gazı salımının yaklaşık yüzde 1,4'ünü oluşturuyor.

Bu yüzden nitroplast haberi çıkar çıkmaz akla gelen soru şu oldu: buğdaya bir nitroplast takabilir miyiz?

Burada çok net olmak gerekiyor, çünkü bu bir bulgu değil, bir umut. Kimse bunu yapmadı, kimse yapmaya yakın değil. Nitroplast, bir hücrenin içine bir parça yerleştirmekle elde edilmiş bir şey değil; 100 milyon yıllık karşılıklı uyumun sonucu. Konak, bakterinin attığı yolları doldurmak için yüzlerce proteini üretip adreslemeyi öğrendi. Bakteri, kendi bölünmesini konağın takvimine bağlamayı öğrendi. İkisinin boyut oranı bile metabolik olarak ayarlandı. Bunu bir bitkiye kopyalamak, bir motoru sökmekle değil, bir dilin tamamını sıfırdan kurmakla kıyaslanabilir. Nitroplastın gerçek katkısı bir reçete vermesi değil; böyle bir geçişin mümkün olduğunu ve tek seferlik bir kaza olmadığını kanıtlaması.

Kaldı ki bilim insanlarının önünde hâlâ temel sorular duruyor.

En büyüğü, protein ithalatının mekaniği. Konak algin ürettiği proteinlerin nitroplastın içine girdiğini biliyoruz. Ama nasıl girdiklerini bilmiyoruz. Kloroplastlarda ve mitokondrilerde bu iş için özel kapı kompleksleri vardır; zarın üzerine oturmuş, proteini yakalayıp içeri çeken moleküler geçitler. Nitroplastta böyle bir geçit henüz tanımlanmış değil. Bakteriden mi devralındı, konak tarafından mı icat edildi, yoksa bambaşka bir çözüm mü var? Şu an için cevap yok. Adres etiketlerinin tam olarak nasıl okunduğu da tartışılmaya devam ediyor; bazı araştırma grupları bu etiketlerin analizini yeniden ele alıyor.

İkinci soru, terminolojinin kendisi. Herkes nitroplast adını benimsemedi. Bazı araştırmacılar buna erken evreli bir organel demeyi tercih ediyor. Bazıları ise daha derin bir itiraz getiriyor: iç simbiyontla organel arasındaki sınır belki de keskin bir çizgi değil, kesintisiz bir yelpazedir. Doğada bir eşik yoksa, o eşiği nereye koyduğumuz bizim kavramsal tercihimizdir, canlının bir özelliği değil. Bu, kelime oyunu gibi görünebilir ama değil; hücre biyolojisinin temel kategorilerinin ne kadar sağlam olduğuyla ilgili gerçek bir tartışma.

Ve belki de nitroplastın en kalıcı etkisi bu olacak. İç simbiyoz kuramı uzun süre bir köken hikâyesi gibi okundu: çok uzun zaman önce, bir kez, bir hücre başka bir hücreyi yuttu ve karmaşık hayat böyle başladı. Bitmiş, kapanmış, fosilleşmiş bir olay. Nitroplast bunun böyle olmadığını gösteriyor. O süreç hâlâ işliyor. Şu anda, kıyı sularında, 10 mikrometrelik bir kireç kabuğun içinde, bir bakteri kendi bağımsızlığının son parçalarını teslim ediyor ve yeni bir organ hâline geliyor.

Yutulan her şey sindirilmiyor. Bazen yutulan şey, kalıyor.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.