Betül Kaçar Laboratuvarında 'Zaman Yolculuğu'

Bir gün bir mikrobiyolog, bir moleküler biyolog, bir astrobiyolog, bir sentetik biyolog, bir hesaplamalı kimyager, bir biyofizikçi ve bir biyoinformatikçi bara gider. Ama durun, bu bara nerden geldiler, asıl mesele bu. Hummalı bir çalışma gününden sonra Betül Kaçar’ın Wisconsin Üniversitesindeki laboratuvarından tabii ki.

Her zaman disiplinler arası bilim yapanları duyarız ama burada kaç disiplin var diye saydığımızda ister istemez Betül Kaçar ne üzerinde çalışıyor ki diye sormadan edemiyoruz. Cevabı veriyorum: Yaşamın kökeni ve uzaydaki potansiyeli üzerine çalışıyorlar. Bu büyük, cesur ve temel soru üzerine çalışan sayısız laboratuvar vardır ancak bu kadar değişik dallardan bir araya gelmiş uzmanların olması Betül Kaçar’ın marifeti. Hatta Kaçar’ın bilimde yepyeni bir disiplin yarattığını söylemek çok abartılı olmaz. Adı, tüm bu alanların kesişiminde yer alan moleküler paleobiyoloji. Popüler bilim yazılarında rastlayamayacağınız yenilikte ve sofistike bir bilim dalı. Yazılarım popüler bilim yazısı olmasına rağmen yeterince popüler olamadığı için burada yer verebiliyorum. Paleobiyoloji dinozorların bilimi olan paleontolojiyi andırıyor diyorsanız haksız sayılmazsınız. Kaçar, ‘Jurassic Park’çılık oynamadığına dair birkaç kez kendini savunmak zorunda kaldı. Kendisi, yaşamın kökenini ve evrimini anlamak için eski genleri modern mikroorganizmalara entegre eden deneyler yapıyor. Ancak eski genleri filmdeki gibi dinozor fosillerinden bulmuyor, adını verdiği laboratuvarında baştan ürettiriyor. Peki bu milyarlarca yıl öncesinin gen bilgisine nasıl erişimi var?

Kaçar Laboratuvarında neler oluyor?

İşte burası, Kaçar’ın dehasının ve ekibinin iş birliğinin parladığı yer. Önce biyoinformatikçiler devreye giriyor; süper bilgisayarlarla modern mikroorganizmaların genlerini tarayıp, milyarlarca yıl önceki atalarından kalma genetik taslakları çıkarıyorlar. Evrimin izleri, bugünün DNA’sında hâlâ saklı. (Biyolojinin ChatGPT’si: EVO2 yazımda da bahsettiğim gibi) Tıpkı insan, şempanze ve bakterilerin DNA’sını karşılaştırıp “Bu gen hepsinde var demek ki çok eski, atalarımızda da vardı” dediğimiz gibi, Kaçar’ın ekibi de farklı bakterilerin DNA dizilerini karşılaştırarak, hangi genlerin milyarlarca yıl önceki ortak atalara ait olduğunu buluyor. Fosillere gerek kalmadan, 3 milyar yıl öncesine ait bakterinin genetik kodunu tahmin ediyorlar. Adeta modern DNA’daki evrimsel izleri okuyarak geçmişe yolculuk eden dijital bir zaman makinesi gibi. Betül Kaçar Laboratuvarının EVO2 yapay zeka modelini kullandığına yemin edebilirim ama ispatlayamam.

Ardından sentetik biyologlar, bu taslakları alıp laboratuvarda bu eski genleri sıfırdan üretiyor. Moleküler biyologlar ise bu yeni genleri modern mikroplara naklediyor ve “Bakalım bu eski gen, bugünün mikrobunda ne yapacak?” diye izliyorlar. Mikrobiyologlar, bu genetiği değiştirilmiş bakterilerin davranışlarını ve büyümelerini mikroskop altında inceliyor. “Bu eski gen, bakteriyi nasıl etkiledi? Daha mı hızlı büyüyor, farklı mı davranıyor, ya da öldü mü” sorularına cevap getiriyor.

Hesaplamalı kimyagerler, biyolojik moleküllerin geçirdiği kimyasal süreçleri bilgisayar simülasyonlarıyla modelleyerek yaşamın kimyasal sırlarını çözüyor.  Biyofizikçiler, moleküllerin fiziksel hareketlerini, mesela bir proteinin nasıl katlandığını çözerek işin mekanik tarafını aydınlatıyor. Astrobiyologlar ise tüm bu verileri alıp, “Bu süreçler uzayda, mesela Mars’ta da olabilir mi?” diye büyük resmi sorguluyor. Ekip, her bir disiplinin gücünü birleştirerek, yaşamın milyarlarca yıl önceki ilk adımlarını laboratuvarda yeniden canlandırıyor sonra da uzayda bir gezegende yaşam olabilir mi sorusunu yöneltiyor.

Betül Kaçar’ı yakından tanıyalım

Marmara Üniversitesinde kimya okuduktan sonra Emory Üniversitesinde biomoleküler kimya bölümündeki doktorasını bitiren Betül Kaçar’ı doktora sonrası çalışmaları için Harvard ve NASA kaptı desek yanlış olmaz. Kaçar şu anda Wisconsin Üniversitesinde yardımcı doçent ve NASA’nın yaşamın kökenini araştıran bir merkezinin de lideri. Ayrıca, Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nde Dünya-Yaşam Bilimi Enstitüsü’nde doçent profesör. NASA, Harvard ve Keck Vakfı gibi prestijli kurumlardan aldığı toplam 9 milyon doların üzerindeki araştırma fonu, onun ne kadar değer gören bir bilim insanı olduğunu kanıtlıyor. Türkiye’nin gurur kaynağı öncü bilim kadını (normalde insanı denir ama hala adamı yazanlar var diye sinirimden), aynı zamanda NASA’nın Mars keşif stratejilerine yön veriyor.

Şimdi Betül Kaçar’ın 2012’de NASA’ya burs için başvururken sözlerine kulak verelim istiyorum:

“Kendimi eski yaşamı ve evrimi incelemeye adamak istediğimi anladım. Eski kayaların peşine düşmek yerine, bu sorunları laboratuvarda çözmek istiyordum. Eski yaşamı incelemek için deneysel bir sistem geliştirmem gerektiğini fark ettim. NASA’nın astrobiyoloji programına, bir doktora-sonrası bursu için başvurdum. Onlara radikal bir araştırma önerisiyle gittim: Bir moleküler zaman makinesi yaratmak istiyordum! Eski proteinleri sentetik olarak yeniden inşa edecektim. Sonra bu diriltilmiş genetik dizileri modern bakteri genomlarına entegre edecektim. Ardından, bu bakterileri laboratuvarda deneysel evrime tabi tutacaktım. Nihai hedefim, eski bir proteinin evrimsel yolculuğunu, doğal tarihine uygun bir şekilde laboratuvarda yeniden yaratıp yaratamayacağımı görmekti.”

Bakalım Betül Kaçar 2025’te bu hedefine ulaştı mı?

Betül Kaçar’ın zaman makinesine atlıyoruz 

Az önce söylediğimiz gibi Betül Kaçar’ın laboratuvarında antika bakteri genleri modern bakterilere yerleştiriliyor. Ama hangi gen? Bakterilerin DNA’sında içinde 3 milyar yıldır öyle bir gen var ki atmosferin yüzde 78’ini oluşturan nitrojeni, nitrojenaz enzimiyle amonyak gibi kullanılabilir bir forma dönüştürüyor.

Bu enzimin öneminin altını çizmek gerek. Zaten bu derece önemli olmasa Kaçar’ın bu nitrojenaz projesi, Keck Vakfı’ndan aldığı 1,3 milyon dolarlık dev fon ve Wisconsin Üniversitesi’nin aynı tutardaki desteği alarak hayata geçmezdi.

Nitrojenaz enzimini kodlayan gen günümüze kadar akıl almaz badireler atlattı. Ve bu enzim gibisi yok çünkü yaşam için elzem olan nitrojeni yaşam için kullanışlı hale getiren tek enzim ve bu canlılık için en az ‘süper star’ karbon kadar gerekli. Nitrojen, yaşamın temel taşlarından amino asitlerin, proteinlerin, DNA’nın ve fotosentez yapan klorofilin ve daha bir sürü biyolojik yapının temel yapı taşlarından. Aynı zamanda, gübrelerin ana bileşeni olarak tarımda büyük bir rol oynuyor. Lisede öğrendiğimiz yaşamın üç döngüsü vardı: su döngüsü (bulut yağmur olayı en kolay), karbon döngüsü (fotosentez bir tık zor ama hala ezbere bildiğimiz) ve en kazığı ve bahse varım hatırlamadığınız nitrojen döngüsü. Doğada nitrojenin farklı formlarda dönüşümünü sağlayarak ekosistemlerin işleyişi bu nitrojen döngüsü sayesinde oluyor. Nitrojeni farklı formlara çeviren de bu nitrojenaz. Yalnızca bakterilerde bulunuyor. Bir de havadaki nitrojen, şimşek gibi aşırı kuvvetli bir enerji uygulandığında ancak dönüşebiliyor ama buna bel bağlanamaz. Bize bakterilerdeki o enzim lazım.

Bu dirençli enzimin evrimine ve çok kritik dönemlerde nasıl hayatta kalabildiğine bakan laboratuvar -bir nevi zaman makinesine atladığımız yer- neler çözmez ki? Geçmişi yani yaşamın nasıl oluştuğunu, geleceği yani yaşamın uzaydaki potansiyelini ama sıkı durun bugünün de en büyük sorununu çözer. Kapımızda iklim değişikliği gerçeği dururken gittikçe büyüyen nüfusu nasıl besleyeceğimiz konusunu. Bakınız 14 Nisan gazete haberi: “Türkiye genelinde nisan ayında hava sıcaklığının sıfır derecenin altına düştüğü ve kar yağışının yaşandığı 36 ilde zirai dondan pek çok tarım ürünü etkilendi.”

Krizin derinliği

Dünyadaki tüm yaşam, hayatta kalmak için nitrojene muhtaç. Havanın yüzde 78’i nitrojen, ama ne yazık ki insanlık bu gazı doğrudan kullanamıyor. Onun yerine, ihtiyacımız olan nitrojeni yediğimiz yemeklerden alıyoruz. Yüzyılı aşkın süredir, nitrojeni biyolojik olarak kullanılabilir amonyak haline getirmek için Haber-Bosch süreci denen yapay bir endüstriyel yönteme bel bağlıyoruz. Bu yöntem, nitrojeni tarım gübrelerine dönüştürerek adeta bir devrim yarattı ve dünya nüfusu patladı. Bugün nüfusun yaklaşık yarısı, her yıl 180 milyon tondan fazla amonyak üreten bu endüstriyel “Nitrojen-sabitleme” sayesinde hayatta. Ama işte mesele: 2050’ye geldiğimizde dünya nüfusu 9 milyara ulaşacak, gıda talebi yüzde 56 artacak ve açlık riskiyle karşı karşıya olanların sayısı yüzde 30 yükselecek. Bu yaklaşan krize bir çözüm bulunması lazım, hem de acilen. Çünkü öte yandan Haber-Bosch dünyanın enerji arzının neredeyse yüzde 2’sini kullanıyor, üstüne bir de sera gazı emisyonları ve su kirliliğiyle çevreye zarar veriyor. Bilim insanları uzun zamandır bir alternatif peşinde; doğanın verimliliğini taklit eden, ama çevreyi mahvetmeyen bir çözüm arıyorlar.

Enter: Betül Kaçar Laboratuvarı

Betül Kaçar laboratuvarında nitrojen sabitleyen bakteri içeren bir petri kabı tutarken. 3 Ocak 2025 Foto: Jeff Miller

Nitrojenaz, bakterilerde bulunuyor ve marifeti daha detaylı olarak havadaki nitrojeni (N2) yaşamın kullanabildiği amonyağa (NH3) çevirmek. Yani bu bakteriler nitrojen sabitleyebiliyor. Bu süreç yaşamı mümkün kılıyor. 2,7 milyar yıldır süregelen bu kabiliyeti çözmeye ant içmiş bir ekipleyiz. Şimdi nerede kalmıştık? Antika genler yeniden üretildi, bakterilere verildi. Betül Kaçar, dünya tarihinde tek bir kez yaşanan 2,5 milyar yıl önceki oksijenasyon olayını yeniden yaratmak istedi; atmosferdeki ve okyanustaki oksijen seviyeleri dramatik şekilde arttığı dönemi. Bu dönemde birçok canlının nesli tükendi, okyanus kimyası değişti ve hayat yepyeni bir atmosfere adapte olmak zorunda kaldı. Nitrojenaz bu dönemden alnının akıyla çıktı. Peki biraz makyajla değişerek mi, yoksa orijinal haliyle mi? Aranan cevap bu.

Cevaba göre ne olacak?

Bu sorunun cevabı, sadece geçmişin sırlarını değil, bugünün tarım krizini ve uzayın yaşam potansiyelini anlamak için de anahtar. Kaçar’ın moleküler zaman makinesi, nitrojenazın evrim hikayesini laboratuvarda sahneye koyarken, biz de bu cevabın geçmişe, geleceğe ve günümüze neler getirebileceğine bakalım.

Geçmişin cevabı: Eğer nitrojenaz 3 milyar yıldır neredeyse hiç değişmediyse, bu, yaşamın nitrojen sabitleme sorununu ilk denemede mükemmel bir şekilde çözdüğünü gösterir. Yani, doğa adeta “Bir kere yaptım, daha iyisi olamaz!” demiş olur. Bu, yaşamın kökenine dair büyük bir ipucu: Belki de yaşam, en zorlu koşullarda bile tutunacak kusursuz çözümler bulabiliyordu. Ama eğer nitrojenaz değiştiyse? O zaman yaşamın, çevreye uyum sağlamak için sürekli, küçük ama zekice değişikliklerle hayatta kaldığını anlarız. Her iki durumda da nitrojenazın evrim hikayesi, Dünya’da yaşamın nasıl başladığını aydınlatacak.

Geleceğin cevabı: Nitrojenaz sabit kaldıysa, bu, yaşamın başka gezegenlerde de benzer bir “evrensel çözüm” kullanabileceğini ima eder. Kaçar’ın NASA’yla iş birliği, tam da bu soruyu hedefliyor: Uzayda yaşam varsa, nitrojen gibi temel bir elementi sabitlemek için nitrojenaz gibi bir enzim mi kullanır? Eğer öyleyse, Mars veya başka bir gezegende yaşam ararken, nitrojenazın kimyasal imzasını arayabiliriz. Ama eğer nitrojenaz evrim geçirdiyse, bu, yaşamın her gezegende farklı bir değişimle ortaya çıkabileceğini gösterir. “Yaşam her yerde aynı şekilde mi oluşur, yoksa farklı yollar mı izler?” Nitrojenazın evrimi, uzayda yaşamın neye benzeyebileceğine dair bir yol haritası çizebilir.

Günümüzün cevabı: Eğer nitrojenaz değişmeden kaldıysa, Kaçar’ın ekibi, bu süper enzimin eski versiyonlarını modern bakterilere entegre ederek, Haber-Bosch’un çevreye zarar veren enerjisine gerek kalmadan nitrojen sabitlemeyi taklit edebilir. Bu, çevre dostu gübrelerin ve sürdürülebilir tarımın yolunu açar. Eğer nitrojenaz evrim geçirdiyse de Kaçar’ın laboratuvarı, eski çevrelere (sıcak, soğuk, ekstrem hava koşullarına, oksijensiz dünyalara) uyumlu eski nitrojenazları diriltebilir ve bunları iklim değişikliğinin getirdiği aşırılıklara dayanıklı bakterilere yerleştirebilir. Sonra bu bakteriler bitkilere tanıştırılır. Yapay gübreye gerek kalmaz. Böylece Kaçar ve ekibinin nitrojenaz projesi gezegeni kurtarır ve işte o zaman barda “İçkiler bizden” diye bağırırlar. The happy end.