Çoğu mikrop araştırmacısı, nasıl geliştiklerini ve zararlı koşullara nasıl tepki verdiklerini incelemek için mikropları petri kaplarında yetiştirir. Fakat Louisiana State Üniversitesi Biyoloji Bilimleri Bölümü neredeyse hiç duyulmamış bir şey yapıyor: Antarktika’nın derinliklerindeki kalıcı donmuş tabakalarda ve hatta Mars yüzeyindeki buzlarda gömülü olan organizmaların nasıl yüz binlerce yıl hayatta kaldığını anlayabilmek için dondurucu koşullarda mikropları inceliyorlar.

Louisiana State Üniversitesi’nde (LSU) Biyoloji Bilimleri Bölümünde doçentlik yapan ve eşsiz bir Antarktik mikrop araştırmacısı olan Brent Christner, bana buzla kaplı hücrelerin mikroskobik görüntülerini gösterirken heyecanla masasının üzerinden eğilerek şöyle diyor: “Sizi koridor boyunca, dondurucularla dolu ortak odalardan birine götürebilirim. O dondurucuların içinde hücreler ve dokular var. Onları dondurucularda tutuyoruz; çünkü bu aslında onları muhafaza etmek için kullanılan yöntemlerden biridir.”

Christner’ın laboratuvarı, -80°C ‘de muhafaza edilen binlerce mikrop türü bulundurmaktadır. Christner’ın açıklamalarına göre bu mikroplar dondurucudan alınıp besin açısından zengin bir ortama bırakılırsa kolayca canlanabiliyorlar. “Peki ya o dondurucular milyonlarca yıl çalışabilseydi?” diye soruyor Christner, “Her yıl bir kısmının ölmesi beklerdik; çünkü mikroplar, donmuşken bile çürümeye maruz kalan moleküllerden yapılmışlardır.”

Christner ve LSU’daki iş arkadaşları, doktora sonrası araştırma görevlileri Markus Dieser ve Mary Lou Applewhite ve Biyoloji Profesörü John Battista, DNA onarım düzenekleri üzerine Applied and Environmental Microbiology dergisi tarafından kabul gören bir makale yayınladılar. Christner ve iş arkadaşları, mikropların donma koşullarında nasıl hayatta kaldığını anlayabilmek için insanlardan mikroplara canlı organizmaların gelişiminde ve işlevlerinde kullanılan genetik talimatları kodlayan kalıtsal molekül DNA’ya odaklandılar. Mikrop DNA’sı genellikle binlerce geni kodlayan tek bir dairesel yapıya yerleştirilen, milyonlarca baz çifti veya temel birim uzunluğundadır.

“Molekülde meydana gelen ve molekülün zarara uğramasıyla sonuçlanan ani reaksiyonların var olduğunu biliyoruz.” diyor Christner. En kötü hasarlar, mikrobun tek dairesel “kromozom”unun iki ayrı parçaya bölündüğü ve kromozomun tekrar işlevsel olabilmesi için bu parçaların bir araya getirilmesini gerektiren çift döngülü kırıklar olarak bilinen hasarlardır. “Bu hasarı, hücreler orada binlerce yıl donmuş bir şekilde dururken meydana gelecek durum olarak biliyoruz. Bir mikrobun bu uzun zamanlar boyunca buzun içinde olduğunu ve DNA’sının parçalara ayrıldığını düşünün. Süreç içinde bir noktada mikrobun DNA’sı o kadar zarar görür ki artık işe yarar bir bilgi deposu molekülü değildir. Yani elinizde artık bir mikrop değil de bir ceset vardır.”

Durum mikropların buzun içinde kalma süresinin uzunluğu açısından vahim görünüyor olabilir. Ama araştırmacılar buzun içinde yüz binlerce yıldır kalmış mikropları tuhaf bir şekilde tekrar hayata döndürebildiler. Aslında Christner, Batı Çin’deki Qinghan-Tibet platosundaki Guliya buz zirvesinin –750 bin yaşında, insanların çağından çok daha eski bir buz- diplerinin civarından birden farklı türdeki bakteriyi hayata döndürmeyi başardı.

Penn State [Üniversitesi –Ç. N.] profesörü ve buzullarla ilgili mikroorganizmalar üzerine Encyclopedia of Snow, Ice and Glaciers’ta bir bölümün yazarı olan Vanya Miteva, “Yakın zamana kadar, dünyanın önemli bir kısmını kaplayan buzdan bölgeler, yaşamdan yoksun çöller olarak görülüyorlardı. Son yirmi yılda bu görüş değişti ve şimdi kriyosferden bahsederken dünyanın büyük bir yaşanabilir ekosistemi olarak bahsediyoruz.”

Ama 750 bin yaşında bir buzdaki bir mikrobu hayata döndürmek nasıl mümkün olabiliyor? Antik buzul buzlarındaki ve kalıcı donmuş tabakalardaki mikroorganizmaların hayatta kalması, karakteristik olarak uyku halindeki metabolik bir eylemsizlik durumunu sürdürebilme özelliklerine atfedilmiştir. Fakat bu açıklama bile, buzulun dibinde donmuş veya donmamış olsun, bu mikropların DNA’sına hasar verdiğine neredeyse emin olduğumuz arka plan iyonlaştırıcı radyasyon miktarını hesaba katmaz.

Dieser, “O kadar uzun hayatta kalabilmek için, mesela farklı araştırmalar uyku haline ya da ‘yavaşlatılmış metabolizma’ya işaret eder; fakat fizyolojik durumdan bağımsız olarak bir organizmada, aktif bir DNA onarımı olmaksızın hücre ölümüyle sonuçlanacak miktarda DNA hasarı birikecektir” diyor. Fakat bugün, buzdaki mikropların tuhaf uzun ömürlerine ilişkin araştırmayla da desteklenen alternatif bir açıklama vardır: sıfırın altında bile DNA hasarını onarabilen “işçi” enzimler.

Christner “Aslında şu an hücrelerimizde, yüksek seviye radyasyona maruz kalmıyor olsak bile aktif DNA onarım enzimleri var” diyor. Bunu söylerken radon kaynakları, uzaydan gelen kozmik radyasyon, topraktan gelen karasal radyasyon dahil etrafımızdaki hem yapay hem doğal kaynaklardan gelen iyonlaştırıcı radyasyonların arka plan seviyelerini kastediyor. Dünyada mevcut bulunan arka plan radyasyonu, yapısı itibariyle tüm verili zamanlarda oldukça az olsa bile, yüz binlerce yıl hayatta kalan mikropların bu küçük arka plan seviyelerinden dahi büyük oranda hasar biriktirdiğini tahmin edebilirsiniz.

2007’de, 600 bin yaşındaki kalıcı donmuş tabaka örneklerinde el değmemiş mikrop DNA’sı bulduktan sonra araştırmacılar, aktif DNA onarım mekanizmalarının işin içinde olabileceğini öne sürmüştür. Fakat o araştırmacılar, Christner’ın ekibinin aksine, mikropların böylesine elverişsiz donmuş koşullarda DNA’larını nasıl onarabildiklerine dair net bilgiden yoksundular. Christner, “Eğer mikroplar bir geçici olarak durdurulmuş hareket halinde değil de aktif bir metabolizmaya sahipse her şey değişir. İşte şimdi bunun buzda olabildiğini düşünmek gerçekten zor gözüküyor, değil mi?” diyor.

NASA’da “suyu takip et” şeklide bir deyiş vardır; bu deyiş, suyun olduğu yerde hayat olduğu düşüncesinden ve hücrelerin büyüyüp metabolizmalarını çalıştırmak için suya ihtiyaç duyduğu gerçeğinden yola çıkarak oluşturulmuştur. Christner, buzun içinde bile neredeyse her zaman küçük miktarlarda suyun bulunduğunu hatırlamanın önemli olduğunu söylüyor. Ben onun ofisinde otururken o, bilgisayarının ekranına buz kristallerinin mikroskobik bir görüntüsünü getiriyor. Buz kristalinin yapısı, büyük altıgen parçalardan oluşmuş opak bir yapboza benziyor. Fakat Christner, kenarların arasındaki berrak dar boşluklara ve buzdan bulmaca parçalarının uçlarına işaret ediyor.

“Bu, sıvı su. Bu buzun içinde su var” diyor.

Buz kristallerindeki taneciklerin sınırlarının görüntüsü. Fotoğraf: Brent Christner.

Daha da ilginci, Christner aynı buz kristallerinin sadece canlı hücreleri boyayan bir yeşil boyayla işlem görmüş görüntüsünü gösteriyor. Buz kristallerinin arasındaki boşluklar küçük yeşil mikropların rengiyle parlıyor.

Buz kristallerindeki aynı taneciklerin görüntüsü, canlı hücreleri görebilmek için boyanmış halde. Fotoğraf: Brent Christner.

Christner, “Bu donmuş numunedeki organizmalar gerçekten de buz içindeki bu sıvı ortamlara göç ediyor. Ve doğrusu yaptığımız diğer deneylerden biliyoruz ki bu mikropların metabolizmaları çalışıyor ve gerçekten de bu mikroplar donma şartlarında yeni DNA’lar yaratıyor” diyor. Araştırmalar gösteriyor ki mikroplar donma ısısının altında -40°C’de ve daha düşük sıcaklıklarda bile metabolik faaliyete devam edebiliyorlar.

Christner’in yeni makalesi bu sonuçları daha ileri bir seviyeye götürerek donmuş mikropların donma şartlarında sadece yeni DNA’lar oluşturmakla kalmadığını, zamanla hasar görmüş DNA’ları da –iki ayrı parçaya bölünen zorlu olanları bile- onardığını gösteriyor. Christner ve ekip arkadaşları Sibirya kalıcı donmuş tabakasından yalıtılmış soğuğa adapte mikrop organizmalarının yeni keşfedilen bir türü olan Psychrobacter arcticus’un donmuş (-15oC) numunelerini topluyorlar ve bu numuneleri kalıcı donmuş tabakada 225 bin yılda karşılaşabilecekleri miktara eşit bir dozda, DNA’ya hasar veren iyonlaştırıcı radyasyona maruz bırakıyorlar. Karşılaştırmak için, bu dozun insanlar için ölümcül olan dozdan 45 kat daha fazla olduğunu söyleyebiliriz. Araştırmacılar daha sonra bu mikropları DNA’larını belirli aralıklarla kontrol ederek sıfırın altındaki ısılarda iki yıllık bir süre daha beklemede bırakıyorlar.

Radyasyona dayanıklı olmayan bir bakteriden beklendiği gibi bu yüksek doz, P. arcticus’un tek dairesel mikrobik kromozomuna büyük zararlar veriyor ve onu, molekülündeki çift parçalı kırılmalardan dolayı küçük parçalar bulamacına çeviriyor. Araştırmacıları şaşırtansa, dondurucuda geçen iki yıllık süre boyunca mikropların DNA parçalarının yavaş yavaş doğru düzende tekrar bir araya gelmesi oluyor.

Christner, “Bu rastgele bir süreç olamaz. Eğer kromozom çok sayıda parçaya bölünmüşse ve hücre onu tekrar birleştiriyorsa, bunu gelişigüzel bir biçimde yapamaz. Kromozomun belli bir sıralaması vardır ve organizmanın hayatta kalması için doğru sıralamada birleştirilmesi gerekir. Bu da bize hücrelerin bu DNA’yı onardığını gösteriyor” diyor.

Verilere göre P. arcticus dondurucudayken yılda 7 ile 10 arasında çift parçaya ayrılmayla sonuçlanan kırılmaları onarabiliyor gibi görünüyor. Christner bu bulguların önemli olduğunu; çünkü genelde dondurucu sıcaklıkları, karmaşık biyolojik süreçlerin meydana gelebileceği şartlar olarak düşünmediğimizi söylüyor.

Montana State Üniversitesi Yer Bilimleri Bölümünden Doçent Mark Skidmore, “-15oC ve altındaki sıcaklıklara ve buz kristallerindeki sıvı damar ağlarının yüksek tuzluluk oranına rağmen belirli organizmalar DNA’larını onarabiliyor ve böylece buzlu ortamlarda uzun süreler boyunca hayatta kalma yeteneklerini geliştirebiliyor” diyor. Sonuçlar, Skidmore ve Christner’in daha önceki araştırmasındaki buzlardaki sıvı boşluklarının mikropların yaşayabileceği ortamlar olduğu savını destekliyor.

Miteva, “Bu araştırma, donma koşullarında hücrelerin DNA’lardaki radyasyon kaynaklı hasarları başarıyla onarabildiğine dair ikna edici deneysel kanıtlar sunmaktadır. Bütününe baktığımızda, bu makalenin mikropların dünyada ve muhtemelen başka yerlerdeki uzun yaşam sürelerine dair algımızı geliştirmeye dair kesinlikle olumlu etkileri olacaktır.” diyor.

Christner’in araştırmasından önce de mikropların dondurucu koşullar altında çok düşük seviyelerde eylemlerde bulunabilmelerine dair kanıt olsa da bu şartlarda hayatta kalma yeteneklerini artıracak ne gibi şeyler yapabildikleri, sadece tahminlerden ibaretti.

Bu bulgular, eğer Mars’ta canlılık oluşmuşsa ve eğer mikroplar hâlâ yer altında bir yerde donmuş haldeyse onların doğru koşullar altında hâlâ yaşıyor olabileceklerine yönelik tahmin yürütmeyi mantıklı kılıyor.

Christner, “Bu açıkça, Antarktika ya da kalıcı donmuş tabakaların dibinde, hatta Mars gibi bir yerde bile hayatta kalabilen organizmalar için sö zkonusu olabilen bir yoldur. Bu astrobiyolojik anlamda önemlidir; çünkü eğer bu mekanizmalar bizim kriyobiyosferimizde çalışıyorsa, mikroplar bu hayatta kalma mekanizmasını güneş sistemindeki diğer uydular ve kitleler üzerindeki buzlu ortamlarda da kullanıyor olabilirler. Bu sonuçlardan dolayı oldukça heyecanlıyız.” diyor.

Fakat soğuğu seven bakterilerin üzerine araştırmaların bitmesine daha çok var. Christner ve ekip arkadaşları bu uzun ömürlü mikropların DNA onarımı sorununu ele almışsa da bu bakterilerin yüz binlerce yıl DNA metabolik faaliyetlerini sürdürecek enerjiyi nereden bulduğu sorusu hala cevapsız. Gelecekteki araştırmaların bu soruyu ele alması ve olağanüstü ortamlarda yaşayan bakteriler tarafından kullanılan hayatta kalma mekanizmalarını incelemesi gerekiyor.

 

Yazar: Paige Brown

Çevirmen: Mehmet Akçay

Kaynak: https://blogs.scientificamerican.com/guest-blog/colder-than-ice-researchers-discover-how-microbes-survive-in-subfreezing-conditions/