Yaşamın kökenini inceleyen pek çok bilim insanı, bu moleküllerden bazılarının çift görev yapabilmesi ve proteinler gibi davranabilmesi nedeniyle RNA’nın ilk olarak ortaya çıktığına inanmaktadır. “Önce protein” hipotezi iki gizemi aynı anda yanıtlamaktadır: (1) biyolojinin prebiyotik kimyadan nasıl ortaya çıktığı ve (2) Darwinci evrimin nasıl başladığı. Genlerin yeni genler oluşturmak için proteinleri kullanmasından ziyade, proteinlerin yeni proteinler oluşturmak için genleri kullandığına inanmaktayız.
Yaşam için iki tür molekül gereklidir. Hücreler, biyokimyasal ve fiziksel işlevlerin çoğunu yerine getiren protein molekülleri içerir. Hücreler ayrıca, daha fazla hücre yapmak için gerekli olan bilgiyi taşıyan DNA ve RNA moleküllerini de içerir. Yaşam 3,5 milyar yıl önce yeryüzünde ilk kez ortaya çıktığında, hangisi önce gelmiştir: işlev mi bilgi mi? Bu, biyolojinin prebiyotik kimyadan nasıl ortaya çıktığına dair çözülmemiş önemli bir sorundur.
Bazı insanlar yaşamın ilk olarak RNA’dan başladığını düşünmektedir – buna ” İlk Gün” diyelim – çünkü bazı RNA molekülleri çift işlev görebilir ve proteinler gibi hareket edebilir. Ancak biz önce proteinlerin oluştuğuna inanmaktayız. Önce proteinin oluştuğu görüşü bir başka büyük gizemi çözmeye yardımcı olmaktadır: Darwinci evrim nereden kaynaklanmıştır? Sadece İlk Gün’de hangi madde biçiminin ortaya çıktığını değil, aynı zamanda bu maddenin neden varlığını sürdürdüğünü, uyum sağladığını ve İkinci Gün, Üçüncü Gün ve ötesine geçtiğini de bilmek istiyoruz.
Darwinci evrim, biyolojinin adaptasyon, yenilenme ve değişmeye yönelik dur durak bilmeyen dürtüsüdür. En güçlü olanın hayatta kalması yoluyla, organizmalar kaynakları elde etmek, diğer organizmaları üretmek ve çevrelerine uyum sağlamak için rekabet ederler. Charles Darwin’in 160 yıl öncesinden bu yana, evrimin nasıl işlediği hakkında çok şey biliyoruz, ancak nasıl başladığı hakkında hiçbir fikrimiz yok. Evrimin bir başlangıcı olmalı. Bu, Evrenin başlangıcından beri işleyen fizik ya da kimya ilkeleri gibi evrensel bir yasa değildir. Bildiğimiz kadarıyla evrim, biyolojinin yaklaşık 3,5 milyar yıl önce, yani dünyanın oluşumundan bir milyar yıl sonra ortaya çıkmasından bu yana işlemektedir.
Neden önce proteinler ortaya çıktı?
Neden proteinler önce ortaya çıksın ki? Proteinler bir hücrenin kütlesinin büyük bir kısmını oluşturur, dolayısıyla hücre evriminin değirmenine su taşıyan farklı büyüme oranları büyük ölçüde farklı protein üretiminden kaynaklanır. Ve proteinler bu büyüme reaksiyonlarını katalize eden yapıcı moleküllerdir. Daha da önemlisi, proteinler dizilim -> yapı -> işlev ilişkilerine sahip olmaları bakımından benzersizdir. Çoğu RNA da dahil olmak üzere diğer polimerlerin çoğu böyle değildir.
Proteinler, hücrenin eylem ve davranışlarını oluşturan moleküler işlevlerin temelini oluşturan belirli katmanlı yapılar oluşturur. Bir proteinin 20 amino asidinin kabaca iki sınıfa ayrıldığını düşünün: yağ benzeri hidrofobik monomerler ve su benzeri polar monomerler. Proteinler katmanlaşır; yani, yağın sudan kaçındığı temel fizik nedeniyle protein dizileri suda belirli kompakt şekillere toplanır – yani, yağlı amino asitler topun içinde, proteinin dışındaki çevreleyen sudan uzakta olacak şekilde katmanlaşır. Bu da proteinleri harika katalizörler haline getirir. Katlanmış proteinler minyatür katı maddelerdir. Katı olmak, kimyasal reaksiyonları katalize etmek için tam olarak ihtiyaç duyulan şeydir, çünkü katalizör atomlarının reaksiyona yardımcı olmak için yeterince uzun süre yerlerinde kalmaları gerekir. Ayrıca, 20 amino-asitlik bir alfabe bir dizi kimyasalı kapsar, bu nedenle bir dizi reaksiyonu katalize ederler.
Peki protein yapımı nasıl başladı? İlk olarak, deneylerden biliyoruz ki proteinlerin amino asit yapı taşları Dünya’nın erken dönemlerinde var olmuş olabilir. Ayrıca, başlangıçta amino asitleri peptitlere bağlayabilecek basit katalizörler olduğunu da biliyoruz – mineraller ve killer veya hava-su yüzeyleri bunu yapacaktır. Peptit adı verilen kısa proteinler bazı meteoritlerde bile bulunmaktadır.
Öyleyse ilk katalizöre ” Temel Taş” diyelim – “taş” basitçe uzayda sabitlenmiş bir bölgeyi, “temel” ise proteinlerin kendileri katalizör olmadan önce, serbestçe yüzen ve hücrelerin içinde yakalanabilen ilk katalizör olduğunu ima eder. Bununla birlikte, Temel Taş üzerinde üretilen proteinler çok kısa olurdu ve ne işlevleri ne yayılma ilkeleri ne de belirli bilgi dizilerine sahip olurdu. Bu biyo-benzeri özellikler basit peptitlerden nasıl ortaya çıkabilir? Ortaya çıkma, bazı parametrelerdeki küçük bir değişikliğin basit bir davranışı daha karmaşık bir davranışa dönüştürmesidir.
Foldcat’in ortaya çıkışı
Bilgisayar modellememiz makul bir açıklama sunmaktadır: Bu küçük rastgele peptitlerden birkaçı yağ-su kuvvetleri nedeniyle suda toplanıyor, kararlı katlanmış yüzeyler oluşturuyor, ilkel katalizörler haline geliyor ve diğer zincirlerin uzamasına yardımcı oluyor. “Foldcats” bu tür zincirlere verdiğimiz isimdir. Bu diziler nadir, hatta son derece nadir olacaktır. Ancak, istatistiksel fiziğin bu tür pek çok meselesinde olduğu gibi, soru durumların ne kadar olasılık dışı olduğu değil, ne kadar işbirlikçi olduklarıdır. Bir tepeden aşağı yuvarlanırken büyüyen bir kartopu gibi, bir moleküler eylem bir sonrakini nasıl geliştirebilir? İlk kar tanesinin hangisi olduğu önemli değildir. Sadece kartopu olma sürecinin ne olduğu önemlidir. Foldcat hipotezi kartopu işbirliğini ve devrilme noktasını açıklar – kimyadan biyolojiye ve parçalanan moleküllerden kalıcı büyümelerine geçiş.
Tüm bunlar nasıl işliyor olabilir? Temel Taş üzerinde yapılan birkaç uzun zincir, daha da uzun zincirlerin yapımını katalize ederek ek kararlı ve çeşitli katalizörler üretir. Bunun nedeni uzun zincirlerin daha sıkı katlanarak çekirdeklerini kimyasal bozulmadan korumasıdır. Kısa zincirler daha hızlı bozunur. Daha uzun zincirler geri dönüştürülmüş amino asit monomerleri kazanarak daha fazla kaynak tüketir. Kazanan peptit molekülleri, Darwinci evrimin başlangıcı olarak her şeyi alır.
Bir şüpheci bunun Termodinamiğin İkinci Yasasını ihlal ettiğini iddia edebilir, ancak bu doğru değildir. Uzun lafın kısası: İkinci Yasa ölü maddenin dengeye ve bozulmaya doğru eğilim gösterdiğini söylese de, İkinci Yasa “fişe takılı” şeyler için geçerli değildir – dengeden uzaklaşan TV setleri gibi şeyler. Foldcat hipotezinde, fişe takılı olan şey, bol miktarda amino asidin varlığında Kurucu Kaya üzerindeki peptit sentezidir. İtici güç budur. Çok büyük miktarlarda önemsiz peptit ve çok az sayıda katlanabilir uzun zincir üretecektir. Ama kartopunun yuvarlanması için gereken tek şey bu.
Önce işlev
Kısacası, işlevin (proteinler) bilgiden (RNA) önce geldiğine inanıyoruz. Başka bir alternatif, yani bilgi öncelikli bir süreç için itici bir güç bilmiyoruz. Genlerin yeni genler yapmak için proteinleri kullanmasından ziyade, proteinlerin yeni proteinler yapmak için genleri kullandığına inanıyoruz. Ve foldcat mekanizması basitçe aracıya – genlere – ilk başta nasıl ihtiyaç duyulmadığını göstermektedir. Peptitler, yaşamın kökenine doğru ilk adım olarak proteinleri oluşturdu.
