Doğanın Minik Hayatta Kalma Uzmanları, Değişen Bir Geleceğe Uyum Sağlamamıza Yardımcı Olabilir mi?

Stuart J. Lucas
SUNUM - Sabancı Üniversitesi Nanoteknoloji Araştırma ve Uygulama Merkezi

Hayatta kalma, tüm canlı organizmaları yönlendiren sürekli bir mücadeledir; vücudumuzdaki her doku ve organ, hayatta kalmak, büyümek ve sağlıklı olmak için sürekli olarak sayısız biyolojik süreç yürütür. İnsanlar olarak, bu süreçleri sürdürmek için düzenli olarak yiyeceklerden enerji alımına, vücut sıcaklığımızı birkaç derecelik bir aralıkta tutmak için barınak ve giysiye ve her şeyden önemlisi sürekli su kaynağına ihtiyacımız vardır, çünkü canlı hücrelerdeki neredeyse tüm biyokimyasal reaksiyonlar sulu bir çözeltide gerçekleşir; su olmadan yaşam durur. İklim değişikliğinin ve doğal kaynakların tükenmesinin etkilerini veya insanları derin uzay gibi elverişsiz ortamlara göndermeyi düşündüğümüzde, bu temel ihtiyaçlar en büyük zorluğumuzdur.

Ya neredeyse tamamen susuz kalmaya dayanabilen bir hayvan olsaydı? Süresiz olarak yiyeceksiz kalabilen ve aşırı sıcaklık ve basınca maruz kaldığı halde iyileşebilen bir hayvan? Şaşırtıcı bir şekilde, yaygın olarak 'su ayıları' olarak adlandırılan bazı Tardigrad türleri tam olarak bu kapasiteye sahiptir. Tardigradlar, genellikle yaklaşık 0,5 mm uzunluğa ulaşan 8 bacaklı mikro hayvanlardır; kabaca bu cümlenin sonundaki nokta büyüklüğündedirler. Okyanusun üst katmanlarından yeraltı akarsularına ve karada yetişen yosun ve likenlere kadar su bulunan her yerde bulunabildikleri için, yanlarından birçok kez fark etmeden yürüyerek veya yüzerek geçmiş olabilirsiniz.
 

Birçok küçük hayvanın aksine, tardigradlar daha fazla yiyecek veya su aramak için uzaklara gitmezler – isimleri kelimenin tam anlamıyla ‘yavaş yürüyenler’ anlamına gelir. Bunun yerine, çevresel değişikliklere dayanmalarını sağlayan bir dizi hayatta kalma tekniği geliştirmişlerdir. Karada yaşayan bir tardigradın yaşadığı yosun kurursa, tardigrad top haline gelir ve vücut suyunun yaklaşık %97'sini yavaş yavaş kaybederek susuz kalmış bir ‘tun’ durumuna girer. Tun, hayvanın olağanüstü dayanıklılığının anahtarıdır; neredeyse tüm biyokimyasal süreçler duraklatılır ve özel biyomoleküller temel sistemleri hasardan korur. Su geri döndüğünde, tun eski boyutuna geri döner ve normal yaşam kaldığı yerden devam eder.

Tun durumundaki tardigradlar, mutlak sıfıra yakın veya suyun kaynama noktasının çok üzerinde sıcaklıklara, haftalarca derin donmaya ve hatta güneş radyasyonuna ve dünya yörüngesindeki uzay boşluğuna maruz kaldoktan sonra yine de ılıman bir ortama döndüklerinde, hala yeniden su alabilir ve büyüme ve üreme de dahil olmak üzere tam biyolojik aktiviteyi geri kazanabilirler. Başka hiçbir hayvan, yaşam için gerekli olan hücresel yapıları genellikle yok eden bu kadar aşırı koşullara dayanamaz.

Bu hayatta kalma yeteneği bilim insanlarını cezbediyor – eğer tardigradın tun durumunda hayatta kalmasına yardımcı olan yapıları ve mekanizmaları anlarsak, bu bize kendi hücrelerimizi hasar ve hastalıklardan korumanın yollarını öğretebilir mi? Ya da yeni tip dayanıklı malzemeler geliştirmenin yollarını? İklim değişikliğine daha iyi tolerans gösterebilen bitkiler yetiştirmeye ne dersiniz?

Zaten olası uygulamalar için araştırılan bir tardigrad molekülü, en dayanıklı su ayısı türlerinden biri olan Ramazzottius varieornatus'tan ilk kez izole edilen "Dsup" (hasar baskılayıcı) proteinidir. Son derece yapılandırılmış halde bulunan çoğu biyolojik proteinin aksine, Dsup çözelti içinde büyük ölçüde düzensizlik gösterir. Bununla birlikte, uygun koşullar altında hücre çekirdeğindeki kromozomlara bağlanarak, kapsüllediği DNA'yı hem kimyasal hem de radyasyon kaynaklı hasardan korur. Bu, Dsup proteininin içsel bir özelliğidir ve bu özellik kültürlenmiş insan hücrelerine veya bitki dokularına eklenmelerinin, DNA'larını X ışını veya UV radyasyonundan kaynaklanan hasardan da korumasıyla ortaya konmuştur.

Analiz edilen az sayıdaki tardigrad genomu, doğal olarak düzensiz görünen ancak hücredeki diğer temel molekülleri korumada veya stabilize etmede rol oynama olasılığı yüksek olan çok daha fazla proteini kodlamaktadır. Bu 'tardigrad düzensiz proteinleri' (TDP'ler), başka hiçbir organizmada bulunmaz, çünkü su ayıları, böcekler, örümcekler veya kabuklular gibi diğer omurgasızlardan ayrı bir yaşam ağacı dalı oluşturur - kelimenin tam anlamıyla kendi sınıflarındadırlar. Bu nedenle, TDP'lerin çeşitliliği, işlevleri ve potansiyel uygulamaları hakkında öğrenilecek çok şey vardır.

Prof. Dr. Aydın Türkeç (Bursa Uludağ Üniversitesi/SUNUM) ve benim liderliğimde, yakın zamanda TÜBİTAK tarafından desteklenen araştırma projemiz, bu eşsiz proteinlerden bazılarını tanımlamayı ve karakterize etmeyi amaçlamaktadır. Ankara Üniversitesi'ndeki meslektaşlarımızla işbirliği yaparak, Türkiye'ye özgü tardigrad çeşitlerini toplamayı planlıyoruz ve özellikle Ramazzottius gibi yüksek dirençli olduğu bilinen türlere odaklanıyoruz. SUNUM'da bulunan moleküler biyoloji olanaklarını kullanarak, yeni TDP'leri kodlayan genleri belirlemek amacıyla DNA ve RNA'larını dizileyeceğiz. Daha sonra, bu genleri bir model bitkiye (tale teresi) ve bir tarım bitkisine (patates) yerleştirerek olası koruyucu etkilerini araştıracağız ve bitkilerin UV ışığı veya kuraklık gibi çevresel streslere karşı toleransını artırıp artırmadıklarını test edeceğiz.

Bu, biyolojik ürünler için yeni stabilizatörler geliştirmeye veya sürdürülebilir tarım için olası uygulamalara doğru atılacak ilk adım olacak. Ancak bu hedeflere veya henüz düşünmediğimiz başka bir şeye ister ulaşabilelim ister ulaşamayalım, bildiğimiz bir şey var: Doğanın en büyük hayatta kalma ustalarından öğreneceğimiz çok şey var.