Biyoloji ve Coğrafya

Homokiralite Problemi Nedir? Furkan Öztürk’ün Çalışması Yaşamın Başlangıcına Dair Bize Neler Söylüyor?

Bu yaz hepimiz Bilkent Fizik mezunu Furkan Öztürk’ün homokiralite problemi hakkında yaptığı çalışmalarla gurur duyduk. Öztürk’ün çalışması yaşamın başlangıcına dair bize güzel bir perspektif sunsa da birçoğumuzun homokiralite problemine dair pek bir fikri yok.

Homokiralite Problemi Nedir? Furkan Öztürk'ün Çalışması Yaşamın Başlangıcına Dair Bize Neler Söylüyor?
26 yaşındaki Şükrü Furkan Öztürk, Bilkent Fizik mezunudur. 2018 yılından bu yana Harvard’da fizik doktorası yapmaktadır. Önceki yıllarda farklı konularda çalışmalarda bulunmuş olsa da, şimdilerde homokiralite problemi ve yaşamın başlangıcı üzerine çalışıyor.

Fakat bu problem ta Louis Pasteur’den bu yana bilinen ve tartışılan bir konu. Bu yüzden bu yazımızda, Türk bilim insanın nasıl bir keşifte bulunduğuna ve bu keşfin yaşamın başlangıcına dair bize ne söylediğine bir bakalım.

Aslında Her şey Louis Pasteur İle Başladı

Louis Pasteur’ü hepimiz kuduz aşısını ve pastörizasyon işlemini bulmasıyla tanıyoruz. Ancak Pasteur, 1848 yılında henüz bu iki önemli keşfini gerçekleştirmemişken başka bir önemli keşfe imza atmıştı. Pasteur, şarabı çok uzun süre kaynattığında tuhaf kristallerin oluştuğunu gördü. Oluşan kristallerin yarısı, şarap fıçılarının duvarlarında doğal yollarla oluşan tartarik asitti. Diğer yarısı ise, tartarik asitle aynı şekle sahipti ancak bir fark vardı. Bu kristaller normal tartarik asidin ayna simetrisi versiyonuydu.

Homokiralite Problemi Nedir? Furkan Öztürk'ün Çalışması Yaşamın Başlangıcına Dair Bize Neler Söylüyor?
Fransız kimyager Louis Pasteur (solda), 1848’de bu çizimi, artık paratartarik asit olarak adlandırılan karışımın kristallerinin nasıl simetrik olduğunu ancak üst üste binemez olduğunu tasvir etmek için çizdi. Bu özellik daha sonra kiralite olarak bilinmeye başlandı.

Pasteur o zamanlar bunu bilmese de karşılaştığı şey yaşamın kökeninde yatan bir fenomendi. Şarap fıçısında gördüğü o moleküllerin hepsi tartarik asitti. Fakat yarısı sağ, yarısı da sol elli tartarik asitti. “Sağ ve sol elli molekül de ne ki?” diyorsanız harika. Çünkü bu kavramlar kiralite teriminin ürünleridir.

Kiralite terimi, Yunanca’da el anlamına gelen bir sözcükten türetilmiştir. Tıpkı sağ ve sol elimizin birbirinin ayna simetrisi olması gibi, kiral moleküller de birbirinin ayna simetrisidir. Doğadaki moleküllerin ezici bir çoğunluğu homokiraldir. Yani ya sağ ellidir ya da sol ellidir.

Homokiralite Problemi Nedir? Furkan Öztürk'ün Çalışması Yaşamın Başlangıcına Dair Bize Neler Söylüyor?
DNA’nın yapısındaki şekerlerin hepsi sağ; proteinlerin yapıtaşı olan aminoasitlerinse hepsi sol ellidir.

Pasteur’ün keşfi de işte tam bu noktada önem kazanıyor. Çünkü normal şartlarda şarap fıçısındaki tartarik asit molekülleri sağ ellidir. Ancak Pasteur kaynatma işlemi uyguladığı için hem sağ hem de sol elli tartarik asit molekülleri elde etmişti.

Bu noktada bilim insanları şu soruyu sordu. “Madem hem sağ hem de sol elli moleküller olabiliyor, neden moleküller ya sağ ya da sol elli?” Yani yaşamın başlangıcında her iki türden moleküller varsa günümüzde neden bu moleküllerin tek bir türü var? İşte bu sorular homokiralite probleminin bel kemiğidir.

CISS Etkisi Nedir?

Homokiralite problemini ve bu problemin çözümünü anlamak için öncelikle CISS etkisine bakmamız gerekiyor. Bundan neredeyse çeyrek yüzyıl önce İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsü’ndeki bilim insanları CISS etkisini keşfetti. Kısaca CISS etkisi, kiral moleküllerle elektron spinlerinin çok güçlü bir şekilde etkileştiğini gösteren bir etkileşimdir. Peki bilim insanları CISS etkisini nasıl keşfetti?

Öncelikle Weizmann Bilim Enstitüsü’ndeki bilim insanları, sağ ve sol elli molekülleri bir yüzeye diziyor. Daha sonra bu yüzeyden fotoelektrikle elektron geçişi sağlıyorlar. Ve görüyorlar ki, elektronların başlangıçta bir spin yönelimi olmamasına rağmen yüzeyden geçince spin kazanıyor. Yani sağ ve sol elli moleküllerden oluşan kiral tabaka, elektronları spin yönelimine göre filtrelemiş oluyor.

Harvard’da doktara öğrencisi olan Furkan Öztürk de 2022 yılında yayımladığı perspektif makalesinde CISS etkisini konu aldı. Çünkü CISS etkisinde kiral molekülleri kullanarak elektronları spinlerine göre ayırmak mümkündür. Öztürk ise CISS etkisine tersten bakmanın homokiraliteyi anlamak için önemli olabileceğini düşündü. Peki CISS etkisine tersten bakmak ne demek?

Manyetik bir kaya örneği. Gezegenimizin erken zamanlarından beri var olan manyetik kayaları Dünya’nın birçok bölgesinde bulmak mümkündür. Bu kayaları gezegenimizin günlüğü gibi düşünebiliriz. Çünkü Dünya’nın yaşamı boyunca manyetik kutupların nasıl yön değiştirdiğini bu kayalar sayesinde anlayabiliyoruz.

Kiral molekülleri elektronları seçmek için değil de, elektronları kiral molekülleri seçmek için kullanabiliriz. Çünkü manyetik yüzeyler, elektronların net spininin tek bir yönde olduğu yüzeylerdir. Böylece Öztürk, gezegenimizin erken zamanlarında manyetik kayaların bol olduğunu göz önünde bulundurarak moleküllerin günümüzdeki homokiral davranışını açıklamayı düşünmüştü.

Türk Bilim İnsanının Homokiralite Problemine Sunduğu Çözüm Önerisi

Öztürk bulduğu bu fikir üzerine çalışmak için İsrail’de CISS etkisini keşfeden bilim insanlarıyla çalışmaya gitti. Fakat yaptıkları deneyler başarısız oldu. Çünkü Öztürk ve Harvard’daki hocası Dimitar Sasselov’un fikri kimyasal bir sentez içeriyordu.

Sasselov ve Öztürk erken dünyada manyetik minerallerle dolu sığ bir göl hayal etmişti. Ve bu su, nükleotidlerin kiral öncüllerinin bir karışımını içeriyordu. Yani suda hem sağ hem de sol elli öncül nükleotidler vardı. Güneş’ten gelen morötesi ışınların bu sığ gölde manyetik bir yüzey oluşturacağını ve bu sayede gerçekleşen kimyasal reaksiyonların moleküllerin homokiral olmasını sağlayacağını düşünmüşlerdi. Ancak Öztürk’ün deneyleri böyle söylemiyordu.

Deneyin başarısız olmasının ardından Öztürk’ün aklına başka bir fikir geldi. CISS etkisi kimyasal değil, fiziksel bir süreç olarak ortaya çıkıyor olabilirdi. Bu nedenle deneylerinde manyetik yüzeydeki kiral molekülleri kristalize etmeyi düşündüler. Tıpkı Louis Pasteur’ün şarap fıçısında olduğu gibi.

Manyetik bir yüzeyde RNA öncüsü bir molekül olan RAO’nun Öztürk’ün deneylerinde kristalleştirilmiş görüntüsü. Kaynak: Ş. Furkan Öztürk

Öztürk bu fikrini test etmek üzere İngiltere’ye John Sutherland’in yanına gitti. John Sutherland ve ekibi yıllar önce riboaminooksazalin (RAO) adında bir RNA öncüsü molekülün, RNA’nın 4 yapıtaşından 2’sini sentezleyebildiğini keşfetmişti. Bu nedenle de Öztürk ve Sutherland, deneylerinde RAO’yu kullandı.

Öztürk ve ekibi deney için manyetit yüzeyleri bir petri kabına koydu. İçerisine de %50 sağ %50 sol elli RAO molekülü içeren bir çözelti ekledi. Daha sonra petri kabını bir mıknatısın üzerine koyup molekülleri kristalleştirdiler. Ve sonuç harikaydı. İlk işlemde moleküllerin %60’ı homokiral duruma geçmişti. İkinci işlemde ise moleküllerin %100’ü homokiraldi. Yani hepsi sağ elliydi.

Bir Fizikçinin Gözünden Yaşamın Başlangıcı

Furkan Öztürk’ün CISS etkisinden ilham alarak homokiralite problemine çözüm araması bilim camiasını heyecanlandırdı. Çünkü söz konusu problem yaşamın başlangıcına dair bazı soruları cevaplamamızı sağlayabilir. Ancak bu durum Öztürk ve diğer bilim insanlarının yaşamın başlangıcını tamamen çözdükleri anlamına gelmiyor.

Öztürk’ün çalışmasının elbette belli bağlamlarda ufak eksiklikleri var ve eleştiriler de alıyor. Yine de bilim camiasının çoğundan olumlu geri dönüşler aldığını söyleyelim. Hatta 93 yaşındaki genetikçi ve moleküler biyolog Matthew Messelson, Öztürk’e “Bu problemin çözüldüğünü görecek kadar yaşadığım için mutluyum.” diyerek kendi kitaplarından birinin imzalı bir kopyasının verdi.

Matthew Meselson 1958’de Frank Stahl ile azot izotoplarını kullanarak DNA’nın yarı korunumlu eşlenmesini deneysel olarak göstermiştir. Ayrıca 1961 yılında François Jacob ve Sydney Brenner ile mesajcı RNA’yı keşfetmiştir.

Sonuç olarak;

Yaşamın başlangıcı problemi biyolojiye özgü bir problemmiş gibi görünebilir. Ancak bir fizikçi olarak Öztürk’ün fizik, jeoloji ve biyokimya gibi birçok alanı birleştirerek homokiralite problemini ele alması gerçekten takdire şayan. Zaten onun çalışmasının böylesine ses getirmesinin arkasında bu faktör de bulunuyor.


Kaynaklar ve İleri Okumalar

  • Magnetism May Have Given Life Its Molecular Asymmetry ; Bağlantı: Magnetism May Have Given Life Its Molecular Asymmetry | Quanta Magazine ; Yayınlanma tarihi: 6 Eylül 2023
  • Ş. Furkan Öztürk et al. Origin of biological homochirality by crystallization of an RNA precursor on a magnetic surface ; Bağlantı: Origin of biological homochirality by crystallization of an RNA precursor on a magnetic surface | Science Advances ; doi: 10.1126/sciadv.adg8274
  • Homokiralite Problemi: Araştırmalar, Makaleler ve Süreç ; Bağlantı: https://youtu.be/5eHbMh9IVQs?si=PQxAYfYVmHGK-bw1
  • Ş. Furkan Öztürk et al. On the origins of life’s homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons ; Bağlantı: On the origins of life’s homochirality: Inducing enantiomeric excess with spin-polarized electrons | PNAS ; doi: https://doi.org/10.1073/pnas.2204765119
  • Ş. Furkan Öztürk et al. Chirality-Induced Magnetization of Magnetite by an RNA Precursor ; Bağlantı: [2304.09095] Chirality-Induced Magnetization of Magnetite by an RNA Precursor (arxiv.org) ; doi:https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.09095
  • Ş. Furkan Öztürk et al. The central dogma of biological homochirality: How does chiral information propagate in a prebiotic network? ; Bağlantı: The central dogma of biological homochirality: How does chiral information propagate in a prebiotic network? | The Journal of Chemical Physics | AIP Publishing ; doi: https://doi.org/10.1063/5.0156527

Matematiksel

Melike Üzücek

Ankara Fen Lisesi'nden mezun oldum. Erdemli insanların yetişmesinde en önemli unsurun eğitim olduğunu düşündüğüm için lisans eğitimime matematik eğitimi üzerinden devam ediyorum. Kitap okumayı yazarların zihinlerine, düşünce dünyalarına girmek olarak gördüğümden kitap okumak benim için boş zaman aktivitesinden çok daha farklı bir konumdadır. Araştırma yapmayı ve sorgulamayı seven biriyim. Matematik ve biyoloji başta olmak üzere felsefe, astronomi, modern fizik ile ilgileniyorum.

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu