Homokiralitenin Peşinde: Aminoasitlerden Proteinlere

Bilimi seven, merak eden herkese selamlar.

Bugün sizlerle fizikçimiz Dr. Furkan Öztürk tarafından önemli katkıda bulunulan, hayatın başlangıcına dair önemli problemlerden olan, birçok molekülün davranışını açıklayan, bilimde 175 yıldır çözümlenemeyen “Homokiralite” problemini konuşacağız.

“Homokiralite yaşamın başlangıcı için olmazsa olmazdır ve bu yeni keşif homokiralite probleminin çözümüne dair çok önemli bir adımdır.” — Jack Szostak

Dünyadaki canlıların yapılarını gözlemlediğimizde hepsinde belli bir kontrol mekanizmasında sistemlerin olduğunu fark ederiz. Bu sistemlerin en küçük birimlerinde “moleküller” bulunur. Her canlıyı oluşturan bu moleküller; canlının yaşadığı çevredeki fiziksel niteliklerine bağlı davranışlarındaki eğilimlere göre değişkenlik gösterir. Bu eğilimler canlının kökenine dair bilgileri gözler önüne serer. İşte “kiral” dediğimiz moleküllerin gösterdiği eğilimler, dünyanın ilk anlarındaki oluşumları anlama noktasında bize kilit bilgiler sunuyor.

Peki homokiralite nedir?

Kiral moleküller, birbirine çakışmayan sağ ve sol elli bir çift, iki nesne ile ayna simetrisine sahip moleküllerdir. Kiral nesnelere kimyasal açıdan baktığımızda aralarında bağ türü bakımından pek fark bulunmaz. Bu moleküller doğada biyolojik sistemleri oluştururlar. İşte tam bu noktada biyolojik sistemler çeşitli yönelimler yaparlar. Biyolojik sistemler fiziksel ya da kimyasal faaliyetleri için bir kiral molekülde, yani bir simetrik ikizde bulunan sağ el ve sol el arasında seçim yaparlar. Sağ eli seçtiğinde sol eli, sol eli seçtiğinde sağ eli işlevsel olarak kullanamaz. İki nesneden birini tüketme eğilimindedir.

Biyolojik sistemde görülen bu seçim tüm biyolojik sistemler arasında geçerlidir. Çünkü tüm biyolojik sistemler nihayetinde “LUCA” denen ortak bir atadan gelir. Ortak atalarının getirdiği biyokimyasal temeller simetriyi kırma yöneliminde.

Burada bir açıklamayla karşı karşıya kalıyoruz: Homokiraliteyi bir problem haline getiren mesele bu. Simetrinin nasıl kırıldığı? Biyolojik molekülleri seçilime zorlayan nedir?

Dr. Furkan Öztürk’ün konuyu anlamaya yönelik ilk düşüncesi, kiral moleküllerin bulunduğu ortamın koşullarını incelemekti. Bu koşullar molekülleri ne ile etkiliyor?

 

CISS etkisi ile. Bu etki, ortamın yüzeylerini, yoğunluklarını ve diğer koşullarını ortaya koyuyor.

CISS (Chiral-İnduced Spin Selectivity) etkisi, yaklaşık 25 yıl önce deneysel olarak keşfedilmiş bir olgudur. Bilinmeyen şuydu: Moleküller üzerinde nasıl bir etki oluşturduğu.

Moleküllerin bulunduğu ortamın koşullarına bağlı eğilimlerini anlama yolunda CISS’in etkisini gözlemlemek için yapılan deneye göz atalım. Deney, oda koşulları içerisinde parçacığın dönüşünün parçacığın hareket biçimi ile etkileşim içinde olduğu zamanda gerçekleştirildi. Deneyde kiral moleküller belli bir özelliğe sahip metal yüzey üstüne koyulur. Metal yüzeyden fotoelektrik olay gerçekleştirilir, elektronlar koparılır. Koparılan elektronlar açığa çıktıkları ilk anlarda belirli bir spin yönelimine sahip değillerdir. Tüm bunlara rağmen kiral moleküllerden geçtiklerinde ise spin yönelimi kazanırlar.

 

CISS etkileşiminin moleküllerin sağ ve sol ellerindeki fiziksel koşullarına göre gerçekleşiyor olması, kiralliklerini ortaya çıkarır. Yani moleküllerdeki kirallik derecesi ayırt edilebilir olur. Ayırt edilen elektronların yönelimlerini ise bulundukları manyetik yüzeyler belirler. Bahsettiğimiz manyetik yüzeyler yaşamın oluştuğu ilk anlarda oldukça fazlaydı. Örnek olarak magnetit taşını verebiliriz. Yaşamın başlangıcında bulunan bu bol manyetik yüzeyler, elektronların net spin eğilimlerini açığa çıkararak ilk biyolojik sistemlerin nasıl oluştuğunu ortaya koyuyor. Spin yönelimlerinin tek bir yöne doğru oluşu simetriyi kırmış olabilir.

Dr. Furkan Öztürk manyetik yüzeylerle ilgili yaptığı ilk deneyinde yüzeylerde gerçekleşen kimyasal bir sentezi öngördü. Bu deney çalışan diğer mekanizmalardan çok farklıydı. Genel sonuca bu sebeple ulaşamadı. Ama pes etmedi. Farklı bir açıdan deneye yaklaştı: Yüzeylerden çıkan kimyasal bir ürün yerine doğrudan kiral moleküllerin manyetik yüzeye olan etkisine odaklanalım dedi. Bu amaçla molekülleri kristalize etti. Kristalizasyon sonucunda ayna simetrisinin kırıldığını fark etti. Tek tek kiral yönelimlere ulaştı. En sonunda ise kiralliğin tüm sisteme nasıl yayılacağını düşündü.

Dr. Furkan Öztürk, homokiralite problemine yönelik ortaya attığı çözümler sonucunda Harvard Üniversitesi tarafından verilen Gertrude ve Maurice Goldhaber Ödülü’ne layık görüldü.

Önümüzde, yaşamda kim bilir daha nice bilimsel incelikler var. Bu incelikleri görebilmek umuduyla…

Bilimle ve mutlulukla kalın.

-Irmak Koç