Çifte Sarmal DNA Neden Sağ Elli?

James Watson ve Francis Crick 1952’de DNA’nın çifte sarmal olduğunu keşfederek Nobel ödülü aldı; ama DNA için en kritik soru yanıtsız kaldı: DNA molekülü neden soldan sağa doğru kıvrılıyor? Dünya’daki canlıların genetik kodunu içeren ve özünde sarmal otel merdivenine benzeyen DNA neden sağ elli ve neden doğada solak DNA bulunmuyor? Cevabını kozmik ışınlar ve elektron kimyasıyla görelim.

Doğa sağ elli DNA tercih ediyor

Modern bilimin simgesi ve özellikle de genetikle ilgili haberlerin ayrılmaz bir parçası olan DNA neden çifte sarmal şeklinde derseniz, bunun vücutta veri depolama optimizasyonundan termodinamik yasaları uyarınca enerji tasarrufu sağlamaya kadar birçok sebebi var.

Ancak, DNA molekülü neden resimde görüldüğü gibi soldan sağa kıvrılıyor diye sorarsanız verebileceğimiz en kısa cevap doğanın sağ elli DNA’yı tercih ediyor olmasıdır ve evrenin solak DNA moleküllerine bir garezi yoksa bunun bilimsel bir sebebi olması gerekiyor. Sağ elli olma meselesini son araştırmalar ışığında görelim:

İlgili yazı: Kelebek Etkisi Kasırgaya Yol Açar mı?

 

Aslında solak DNA var

Öncelikle DNA molekülü sol alttan sağ yukarıya doğru kıvrılıyor ve bu simetrik bir organizasyon; yani DNA’yı kum saati gibi baş aşağı etseniz de genetik molekülümüzün soldan sağa olan kıvrılma yönü değişmiyor ki buna B-DNA diyoruz. Gerçi DNA molekülü çok istisnai durumlarda sol elli olarak da kıvrılabiliyor; ama bu durumda resimdeki gibi çarpık çurpuk bir yapı ortaya çıkıyor ve buna da Z-DNA deniyor.

Özetle doğada üç tür biyolojik olarak aktif DNA bulunuyor. Bunlar sağ elli A ve B-DNA molekülleriyle morötesi radyasyondan kaynaklandığı düşünülen Z-DNA’dır. Ayrıca araştırmalar Z-DNA’nın hücrelerde bazı proteinlerin kopyalanmasını engellediğini gösteriyor.

Solak DNA’nın (Z-DNA) neden proteinlerin kopyalanmasını engellediğini merak ediyorsanız size sağ elli DNA’yla ilgili önemli bir bilgi vermem gerekiyor: DNA molekülü genetik enformasyonu sadece gen dizilerine kodlamıyor. Gen dizilimine ek olarak kıvrılma yönünde de kodluyor! 😮

Kısacası insan vücudu sol elli DNA’nın kodunu okuyamıyor (nasıl ki yazıları sağdan sola okuyamazsınız, vücudumuz da sol elli Z-DNA’nın kodunu çözemez). Z-DNA’yı okuyamadığı için de onu kullanarak yaşaması için gereken proteinleri sentezleyemez. Öyleyse Z-DNA, vücuttaki proteinlerin gereksiz yere kopyalanmasını engelleyen bir tür genetik fren olabilir.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Sağ elli DNA bulmacası

Her durumda iş protein sentezlemeye, hücrelerin çoğalmasına, üremeye, kısacası biyolojik fonksiyonlarımızı yerine getirmeye geldiği zaman sağ elli DNA’nın hiçbir istisnası bulunmuyor. Öyle ki Dünya’daki canlı türlerinin tamamında sağ elli DNA bulunuyor. Peki DNA neden bütün canlılarda sağa kıvrılmak zorunda kalıyor? Bu konudaki en geçerli varsayım DNA’nın yapıtaşı olan nükleotidlerin şekline bağlı bulunuyor:

DNA nükleotidleri resimdeki gibi kiraldir; yani bunların simetrik ayna görüntüsü var, ama ayna görüntüleri birbirine uymuyor. Nitekim resme bakarsanız bir nükleotidi ayna görüntüsüyle üst üste bindirdiğiniz zaman, bu ikisinin birbiriyle örtüşmediğini göreceksiniz. Nükleotidleri ister sağa ister sola çevirin, bunlar asla birbiriyle uyuşmayacaktır ki DNA’nın yapıtaşlarındaki bu özelliğe kiralite diyoruz.

Sonuçta Dünya’daki DNA molekülleri sol elli nükleotidlerden oluşuyor ki konuyu doğru anlamak için buna dikkat etmelisiniz: DNA’nın soldan sağa kıvrılarak sağ elli olması için sol elli nükleotidlerden oluşması gerekiyor. Öte yandan sağ elli nükleotidler de sağdan sola kıvrılan solak DNA oluşturabilirler.

Peki neden solak DNA yok?

Sonuçta solak DNA da en az sağ elli DNA kadar iyi çalışırdı (Not: Doğadaki Z-DNA, sağ elli nükleotidlerden oluşan çarpık bir moleküldür. Bunu direkt sol elli moleküllerden oluşabilecek gerçek solak DNA ile karıştırmayalım). Öyleyse  neden doğada sağ elli nükleotid bulunmuyor? Bunun en kısa cevabı, genetik canlılar 4 milyar yıl önce ortaya çıktığı zaman elimizde sadece solak nükleotidler olmasıdır (Dünya gezegeninde canlılar genetik kodun belirmesinden ve dolayısıyla da evrimden önce ortaya çıktılar). Sağ yönlü DNA sorununu çözmek için bizim bu yeni soruyu yanıtlamamız gerekiyor.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Doğru yanıtı bulduk mu?

Ve doğru yanıt uzaydan gelen kozmik ışınlara bağlı bulunuyor. Özetle Güneşimiz hidrojen atomlarını nükleer füzyonla kaynaştırarak ısı ve ışık üretirken uzaya da enerjik parçacıklar saçıyor. Biz de buna güneş rüzgarı diyoruz ve elbette diğer yıldızlar da güneş rüzgarına yol açıyor. Açıkçası yıldızlar, kara delikler, nötron yıldızları ve türlü gök olayları uzaya sürekli enerjik parçacıklar püskürtüyor. Bunlara da kozmik ışınlar diyoruz.

Dünya’nın manyetik alanı güneş rüzgarı ve kozmik ışınlardan koruyor; ama kusursuz olarak değil. Kozmik ışınlar ve Güneş’in morötesi ışınları yeryüzüne kısmen ulaşarak canlıların genetiğinde mutasyona yol açıyor (DNA molekülünün yapısını bozuyor). Bu mutasyonlar da evrim sürecini tetikliyor.

Aslında kozmik ışınlar sağ elli DNA’ya da yol açıyor; fakat oldukça dolaylı bir şekilde. Dünya atmosferine çarpan enerjik parçacıklar atomların elektronlarını kopararak onları iyonize ediyor. Aynı zamanda atmosferin uzaya ulaşan üst katmanlarında bir serbest elektron denizi oluşturuyor.

Elbette kozmik ışınları oluşturan parçacıkların bölünmez temel parçacık olan elektronları parçalaması mümkün olmuyor. Ancak, onlara çarparak veya etkileşime girerek elektronların dönme yönünü değiştirebiliyorlar. Dahası kuantum fiziğinin garip özellikleri yüzünden; elektronlar da genellikle sağdan sola dönüyor (saatin ters yönünde). Atmosferdeki atomların yörüngesinde devinen elektronlar da genellikle sağdan sola dönüyor.

İlgili: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

İşte sağ elli DNA sebebi

Bizler laboratuar ortamında solak elektron yaratmayı becerdiğimiz için elektronlar genellikle sağdan sola dönüyor diyoruz; ama doğada hiç solak elektron görmedik. Hatta atomları lazer ışınlarıyla -236 dereceye dek soğutarak neden böyle olduğunu anlamaya çalışıyor ve soğuk atomlardaki elektronların dönme yönünü inceliyoruz.

Her durumda kuantum kimya uzmanları 50 yıl önce ilginç bir keşif yaptılar ve elektronların doğada sağ elli olmasını, onların bağladığı moleküllerin sol elli olmasına ve dolayısıyla da solak nükleotidler yoluyla sağ elli DNA oluşturmasına bağladılar. Ancak teori bir şey deneysel veri başka şeydir:

Nitekim fizikçiler 2015 yılında bu teoriyi deneylerle kanıtlamayı başardılar ve Laboratuardaki gaz bulutlarına sağ ve sol elli elektronlarla ateş ettikleri zaman şaşırtıcı bir şey gördüler. Sola dönen elektronlara oranla, sağa dönen elektronlar daha çok sayıda sağ elli gaz molekülü parçalıyordu ki aradaki fark yüzde 0,003’tü (hızlı giden elektronlar moleküllere çarptığı zaman, onları oluşturan atomlar arasındaki elektron bağlarını kırabilirler).

Yüzde 0,003 küçük bir oran; ama bu oran, 4 milyar yıllık genetik canlılar tarihinde Dünya’daki bütün moleküllerin sol elli olmasına yol açmış olabilir. Elbette sağ yönlü DNA’yı baskın çıkaracak olan ek veya bambaşka bir mekanizma da olabilir. Ancak, solak moleküller kozmik ışınlara daha dayanıklı ise bunların sağ elli çifte sarmal DNA oluşturma şansı da zamanla artacak ve sonunda sağ elli DNA kazanacaktır!

İlgili yazı: Zaman Büyük Patlamayla mı Akmaya Başladı?

 

Yine de DNA gizemlidir

Bugüne dek sadece Dünya gezegeninde neden sağ elli moleküller yerine solak moleküller olduğunu gösterdik. Ancak, DNA’nın neden sağ elli olduğunu doğrudan gösteremedik ki bu konuya yönelik araştırmalar sürüyor. Belki de bunun yanıtı kök hücre tedavisi ve sentetik biyolojinin gelişmesinde yatıyor.

Peki DNA testi yaparak kanser gibi hastalık risklerini nasıl azaltır veya doğacak çocuğunuzun genetiğini daha embriyo aşamasında değiştirerek gelecekte miyop olmasını nasıl önlersiniz? Günümüzdeki tedavi imkanlarını ve genetik sınırlamaları DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz? yazısında bulabilirsiniz.

Kök hücre tedavisiyle körlüğü gidermek için bakterileri en etkili iyileştirme vektörü olarak nasıl kullanacağımızı da Bilgisayarla Yapay Bakteri DNA’sı Yazdılar başlığı altında görebilirsiniz. Hafta ortasına vardığımız şu günde enerjiniz bol ve performansınız yüksek olsun.

DNA’nın çifte sarmal yapısı

¹Chirally-sensitive electron-molecule interactions (pdf)
²The  Molecular  Structure  of the Left-handed Z-DNA  Double Helix at 1.0-A Atomic  Resolution (pdf)
³The Molecules of Life (book)