Biyolojik saati oluşturan proteinlerin ilk kez yapay hücrelere yerleştirilmesiyle, canlıların zamanı nasıl hassas şekilde takip ettiği ortaya kondu.
Bilim insanları, bakterilerde bulunan biyolojik saati oluşturan proteinleri yapay hücrelere yerleştirerek canlılarda zamanın nasıl takip edildiğine dair temel mekanizmaları ortaya çıkardı. Araştırmada kullanılan bu yapay hücreler, gerçek hücreleri taklit edebilen, içi sıvı dolu mikroskobik baloncuklar olan GUV’lere uygulandı.
Araştırmacılar, “KaiA”, “KaiB” ve “KaiC” adlı üç temel proteini bu GUV’lerin içine yerleştirerek canlılardaki iç saat sistemini dış ortamda yeniden kurmayı başardı. Bu saat, 24 saatlik bir döngüyle çalışıyor ve canlılarda gece-gündüz gibi ritimleri düzenliyor. Çalışma, bu sistemin yalnızca protein düzeyinde çalışabileceğini ve zamanın hücresel düzeyde nasıl hassasiyetle yönetildiğini gösteriyor.
Saatin işleyişi belirli koşullara bağlı
Araştırmada, bu yapay hücrelerin yalnızca belirli koşullarda düzenli saat işlevi gösterebildiği oldu. Araştırmacılar, bu durumu “saat doğruluğu” (clock fidelity) olarak tanımladı. Bu kavram, deneyde kullanılan yapay hücrelerin ne kadarının bu 24 saatlik döngüyü başarılı şekilde sürdürebildiğini gösteriyor.
Saat doğruluğu, protein seviyeleri azaldıkça ve hücre boyutu küçüldükçe büyük ölçüde düştü. Yapılan gözlemlerde, doğal bakterilerde bulunan protein seviyelerine yaklaşıldığında doğruluk oranının en yüksek değerlere ulaştığı görüldü. Bu durum, canlıların bu proteinleri neden belirli bir eşik değerin üzerinde ürettiklerini açıklamada önemli bir veri olarak değerlendirildi.
Proteinlerin hücre zarıyla olan etkileşimi de saatin çalışmasını etkileyen başka bir faktör olarak belirlendi. Özellikle KaiB proteininin yapay hücre zarına bağlandığı gözlemlendi. Bu bağlanma, serbest dolaşan KaiB miktarını azalttığı için, saatin çalışmasını sağlayan protein dengelerini bozabiliyor.
Yapay hücre ne kadar küçükse, zarın toplam hacme oranı da o kadar büyük oluyor ve KaiB proteininin zarla etkileşimi artıyor. Bu da doğrudan saatin bozulmasına yol açabiliyor. Araştırmada bu ilişki açıkça gösterildi. Zar-hacim oranı arttıkça, saat doğruluğu belirgin biçimde azaldı.
Modelleme ile saatin çalışma sınırları hesaplandı
Araştırma kapsamında geliştirilen matematiksel modelleme, deneysel verileri desteklemek ve sistemin hangi koşullarda çalışıp çalışmadığını daha iyi anlamak amacıyla kullanıldı. Bu modelde, farklı büyüklükteki GUV’lere rastgele dağıtılan protein seviyeleriyle sistemin çalışıp çalışmadığı test edildi.
Model, protein seviyelerinin belirli sınırların altında kalması durumunda saat sisteminin tamamen durduğunu ve ancak yeterli yoğunluğa ulaşıldığında yeniden başladığını gösterdi. Ayrıca model, KaiB proteininin zarla etkileşime girerek serbest formunun azaldığını ve bu durumun da saatin çalışmasını doğrudan etkilediğini sayısal olarak da doğruladı.
Doğal hücrelerde bu tip bozulmaların sık yaşanmaması, sistemin bir başka koruyucu mekanizmaya sahip olduğunu ortaya koydu. Bu mekanizma, “SasA” ve “CikA” adlı iki yardımcı proteinin varlığıyla açıklanıyor. Araştırmada, bu iki protein deneysel sisteme eklendiğinde, saat doğruluğunun büyük ölçüde arttığı gözlemlendi.
Özellikle KaiA ya da KaiB proteininin eksik olduğu durumlarda, bu yardımcı proteinler sistemin çalışmaya devam etmesini sağladı. Matematiksel model, bu destek proteinleri olmadan saat doğruluğunun yüzde 86 civarında kaldığını, destekle birlikte yüzde 99,6’ya ulaştığını gösterdi. Bu da gerçek bakterilerin neden bu iki yardımcı proteini bulundurduklarına ve onların sistem üzerindeki işlevini gösterdi.
Hücreler arasındaki zaman uyumu da gözlemlendi
Araştırmada yalnızca saatin çalışıp çalışmadığı değil, aynı zamanda hücreler arasında bu zamanın nasıl senkronize edildiği de incelendi. Gerçek bir bakteri kolonisine bakıldığında, tüm hücrelerin aynı anda “gündüz” ya da “gece” evresinde olduğu görülüyor ancak yapay hücrelerde ya da saatin genetik geri besleme döngüsü (TTFL) devre dışı bırakıldığında bu uyum bozuluyor.
Araştırmacılar, hücrelerin birbirleriyle nasıl aynı zaman diliminde kalabildiğini anlamak için bilgisayar destekli üç farklı senaryo oluşturarak simülasyon yaptı. İlk senaryoda, her hücrenin içindeki saat proteinlerinin seviyesi hep sabit kaldı.
Buna “mükemmel hafıza” adı verildi. İkinci senaryoda ise her hücre, her bölünmede bu proteinleri farklı miktarlarda üretti. Bu duruma “hafıza yok” dendi. Üçüncü senaryoda ise protein seviyeleri her seferinde değişse bile, gün sonunda hücre içindeki genetik sistem (TTFL) bu seviyeleri tekrar düzenledi.
Sonuçlara göre, sadece üçüncü modelde yani TTFL’nin aktif olduğu durumda, hücreler uzun süre boyunca aynı ritimde kaldı. Diğer iki durumda ise protein seviyeleri tutarsızlaştıkça hücreler “gece” ve “gündüz” zamanlarını farklı algılamaya başladı. Böylece zaman uyumu bozuldu ve hücrelerin iç saatleri birbirinden ayrıldı.
Fazla protein üretiminin nedeni açığa çıktı
Çalışma ayrıca, siyanobakterilerin neden ihtiyaç duyduklarından daha fazla saat proteini ürettiklerini de açıklıyor. Bakteri hücreleri bölündükçe protein seviyeleri doğal olarak düşüyor. Protein seviyesi belli bir sınırın altına indiğinde ise saat sistemi tamamen durabiliyor.
Bu riski önlemek için hücreler, Kai proteinlerini yüksek seviyelerde üretmeye devam ediyor. Böylece sistem, içsel ya da çevresel değişimlere karşı dayanıklı hale geliyor. Deneysel sonuçlar ve matematiksel model, bu yüksek üretimin sistemin bozulmaması için gerekli olduğunu açık biçimde gösterdi.
Genel olarak araştırma, biyolojik saatin yalnızca genlerle değil, proteinler aracılığıyla da kendi başına çalışabildiğini gösterdi. Bu saatin doğru işlemesi, hücre boyutu, protein yoğunluğu ve zar etkileşimleri gibi fiziksel ve kimyasal koşullara bağlı olduğu ortaya koyuldu.
Elde edilen bulgular, sentetik hücre üretimi, biyolojik saat kontrollü sistemler ve zaman ayarlı ilaç salımı gibi uygulamalar için bilimsel temel sunuyor. Yapay hücrelerde kurulan bu sistem, canlılardaki iç saatin nasıl bu kadar hassas çalıştığını açıklayan en kapsamlı deneylerden biri oldu.
Kaynak: Nature
