Geçen yazımızda, farklı ülkelerden farklı araştırmacıların onlarca yıl süren sabırlı araştırmalarının sonunda bilimcilerin nihayet kalıtsal materyalin DNA olduğuna inanmaya başladıklarını anlatmıştım. Bu yazımızda da; DNA’nın nasıl olurda tüm canlılarda kalıtımı etkileyen, yani yazgımızı belirleyen bir molekül olma ayrıcalığını ortaya koyan bilimsel çalışmaları anlatacağım. Daha önce de belirttiğim gibi DNA’nın kimyasal yapısı yani 5 karbonlu bir şeker, fosfat ve 4 farklı azotlu bazdan oluştuğu ve bunların birbirleriyle bağlanarak bir zincir oluştukları 1950’lerden önce zaten anlaşılmıştı. Hatta bu 4 farklı azotlu bazın adenin (A), guanin (G), sitozin (C) ve timin (T) oldukları da ortaya konulmuştu. Daha da önemlisi, 1950 yılında Erwin Chargaff ve arkadaşları DNA ile ilgili fevkalade önemli bir bulgu yayımladılar: Farklı organizmalardan ya da aynı organizmanın farklı yerlerinden izole ettikleri hemen hemen tüm DNA’larda adenin (A) miktarı her zaman timin (T) miktarıyla; guanin (G) miktarı da sitozin (C) miktarıyla eşit düzeyde idi. Aynı şekilde toplam pürin (A+G) miktarı da toplam pirimidin (T+C) miktarına eşit bulunuyordu (Şekil 1). Ancak, DNA’nın nasıl olup da kalıtımı kontrol ettiği henüz açıklanamıyordu. Bunun için öncelikle DNA’nın fiziksel yapısının anlaşılması gerekiyordu. Böylece bilimciler hem DNA’nın hücre bölünmesi sırasında nasıl çoğalıp yeni hücrelere bu kalıtsal bilgileri aktarabildiğini hem de DNA’nın özgün proteinlerin sentezlenmesinde nasıl bir rol oynadığını, yani gözle görülebilen özellikleri nasıl kontrol ettiğini anlayabileceklerdi. DNA’nın yapısı çözülmeye başlıyor Bu soruların yanıtını verecek DNA’nın ikili sarmal yapısını ortaya koyan çalışmalar biraz polisiye roman kıvamında ve günümüzde de tartışılmaya devam ediyor. Başrollerde Amerikalı genetikçi James Watson, İngiliz fizikçi Francis Crick, biyofizikçi Maurice Wilkins ve kimyacı Rosalind Franklin… Bu hikayenin detaylarını merak edenlere, Watson’un yazdığı İkili Sarmal başlıklı kitabı okumalarını tavsiye ederim[i]. Tekrar hatırlatayım; o sıralar gerek Avrupa’da gerekse ABD’de DNA’nın sırrını çözmeye çalışan birçok ünlü mikrobiyolog, kimyacı ve fizikçi var ki bunların bir kısmı yaptıkları önemli buluşlarla Nobel ödülüne layık görülen kişiler. Örneğin Linus Pauling, proteinlerin alfa-sarmal bağlanma modelini bulan biyokimyacı… DNA’nın yapısını çözen bizim başrol oyuncularımız ise henüz yolun başında… Watson Cambridge Üniversitesi’ndeki Cavendish Laboratuarı’na geldiğinde henüz 23 yaşında. Cavendish Laboratuarı’nın başında daha 25 yaşındayken Nobel ödülünü almış olan fizikçi Sir William Lawrance Bragg var. Francis Crick, fizik eğitimi almış ama sonradan bu bilgilerini biyolojinin sırlarını çözmeye adıyor! Burada bir ünlem işareti var. Zira Londra’daki King’s College’a Sir John Randall tarafından alınmayışı mı bu tercihte etkili, yoksa o dönemlerin meşhur “What’s Life?” kitabı mı bunu tam bilemiyoruz. King’s College’da ise Maurice Wilkins ve onun yanında çalışan 31 yaşındaki fiziko-kimyacı Rosalind Franklin. Wilkins’le Franklin’in yıldızlarının pek barışmadığını, sık sık kavga ettiklerini görüyoruz. Protein ve benzeri çoğu organik molekülü karakterize etmenin güvenilir yollarından biri de bunları saflaştırıp kristal haline getirmek ve bunları x-ışınlarına tutup bu ışınları nasıl kırıp yansıttıklarını fotoğraflamaktır. Böylece, X-ışınlarına tutulan molekülü meydana getiren farklı atomların dizilimleri bir ölçüde resimlenmiş olur (Şekil 2). İşte roman kahramanlarımızın kaderleri burada kesişiyor. Biyofizikçi Wilkins, DNA’yı saflaştırıp kristal halini almalarını sağlıyor. Aslında dokulardan DNA izole etmek pek zor bir olay değil; hele bugünlerde hazır kitler kullanarak kolayca DNA izole etmek mümkün. Ancak, kristalize olabilecek saflıkta DNA hazırlamak hele 1950’lerde oldukça zor. Paris’te 4 yıl X-ışınlarıyla grafitlerin kristal yapıları üzerinde çalışan Franklin’in King’s College’a gelip Direktör Randall’ın isteğiyle DNA kristalleri üzerinde çalışması zaten bu konuda çalışmakta olan Wilkins ile başından itibaren sıkıntı yaratıyor.
Wilkins’in verdiği bir seminerde gösterdiği DNA X-ışını resmi Watson’da DNA’nın sarmal olduğu fikrini oluşturuyor. Ama DNA’nın bu A resmi tam da ikili sarmalı kanıtlar nitelikte değildi. Zaten bu ekibin arada yaptıkları görüşmelerde de Franklin ısrarla daha fazla kanıt bulunması gerektiğini söylüyor ve kanıt olabilecek X-ışın resimleri oluşturmaya çalışılıyordu. Derken, bir gün Watson King’s College’a Wilkins’i görmeye gider; Wilkins meşgul olduğu için Franklin’in laboratuvarına gider ve ona DNA’nın ikili sarmalını yorumlamada “ne kadar beceriksiz olduğunu” ima eden sözler söyler; beklendiği üzere Franklin Watson’un üzerine yürür ve son anda gelen Wilkins’in sayesinde “paçayı zor kurtarır”. Bu karşılaşmanın hemen ardından Wilkins, Watson’a Franklin tarafından çekilmiş DNA’nın B biçimindeki fotoğrafını gösterir. Bu B biçimindeki resim DNA’nın sarmal yapısını A biçimine göre çok daha bariz göstermekteydi. Ertesi gün öğrendiklerini anlatmak için laboratuar şefine gittiğinde orada bulunan Bragg, Watson’un anlattıklarından çok etkilenir ve model yapımı için cesaretlendirir. Bu arada, şimdilerde hemen her türlü molekülü çok kısa sürede şekillendirebilen bilgisayar programları olmadığı için Watson ve Crick’in önce enstitünün atölyesinde yeter miktarda metalden şeker, fosfat ve azotlu dört bazı (A, T, G, ve C) modülleri yaptırmaları gerekiyordu.
Sarmal yapı nasıl oluşuyor? Bu modüller yapılana kadar Watson ve Crick’in öncelikle sarmalın tekli, çiftli ya da üçlü mü olduğunda anlaşmaları gerekiyordu. Watson ikili sarmalda ısrar ederken Crick buna kuşkuyla yaklaşıyordu. Peki bunlar nasıl bir araya gelip sarmal yapıyı oluşturuyorlardı? Bazlar sarmalın içerisinde mi yoksa dışarısında mı bulunuyordu? Watson’un Chargaff’ın bulgularından hareketle kağıt üzerinde çizmeye çalıştığı A+G ve T+C eşleşmeleri göze pek hoş görünmüyor, sarmalı bozuyordu (Şekil 3)… Sonunda, tenekeden modüllerin gelmesiyle Şubat 1953’te Watson ve Crick DNA’nın genel yapısını ortaya koyan maketi bir araya getirmeyi başardılar (Şekil 4). Buna göre DNA yapısı; 1) Çift sıralı sarmal yapıda ve yeknesak çaplıdır; DNA zincirinin şeker ve posfattan oluşan ana iskeleti dış kısımda, azotlu bazlar iç kısımda yer almaktadır.
Timin (T) ve
adenin (A) iki hidrojen bağıyla;
guanin (G) ve
sitozin (C) 3 hidrojen bağıyla bağlanmaktadır. 2) Sarmal sağ kıvrımlıdır; 3) İkili sıra ters yönlüdür; yani birinin en başında fosfat grubu var iken sonunda hidroksil bulunurken karşısındaki zincirde durum tam tersidir; 4) Hidrojen bağlarıyla bağlanan azotlu bazların bir kenarları büyük ve küçük oluklara açık bulunmaktadır ki bunlar da DNA’nın protein gibi diğer moleküllerle bağlanabilmelerine olanak sağlamaktadır. Neyse daha fazla teknik detayla kafanızı daha da karıştırmayayım. Watson ve Crick bu DNA yapısını 25 Nisan 1953 tarihinde ünlü
Nature dergisinde çıkan “The Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” başlıklı kısa makalelerine şöyle başlıyorlar: “Deoksiriboz nükleik asit (D.N.A.) tuzu için bir yapı önermek istiyoruz. Bu yapı biyolojik öneme sahip özgün nitelikler taşımaktadır.” Watson gibi patavatsızlığıyla ünlü birisinin kaleminden böylesi alçak gönüllü ve iddiasız bir ifade duymak şimdi herkes için biraz garip gelse de bu buluş, 1962’de Watson, Crick ve Wilkins’e Nobel ödülü getiriyor. Muhtemelen bu buluşun kendi resimlerinden olduğunu hiçbir zaman bilemeyen Rosalind Franklin ise 1958 yılında henüz 37 yaşındayken rahim kanserine yakalanıp ölüyor. İkili Sarmal başlıklı kitabında her ne kadar günah çıkarıp Franklin’in hakkını teslim etmeye çabalasa da günümüzde Watson’u hırsızlıkla suçlayan önemli sayıda bilim insanı var.
DNA nasıl çoğalıyor? Genetik şifreye doğru yolculuğumuza devam edecek olursak; sıra hücre bölünmesi sırasında DNA’nın nasıl çoğaldığını bulmaya gelmişti. Her ne kadar Watson ve Crick ilk makalelerinde DNA’nın kendi zinciri üzerindeki sıraya uygun olarak çoğaldığını belirtmiş olsalar da bunu deneysel olarak ilk defa Washington Üniversitesi’nden Arthur Kornberg ortaya koyuyor. Kısaca anlatırsak; Kornberg bir tüp içerisine şablon olarak çoğaltmak istediği DNA’yı, dATP, dCTP, dGTP ve dTTP molekülleriyle reaksiyonu katalizleyen DNA polimeraz enzimini koyuyor; ve DNA’nın aslına uygun olarak çoğaldığını görüyor. Burada, ufak ancak önemli bir detay hala anlaşılabilmiş değil! Yani, şablon ne şekilde ya da hangi sıraya göre kullanılıyor. Bu sorunun cevabı da Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünden Matthew Meselson ve Franklin Stahl’ın azotun normal ya da hafif
14N izotopunu içeren ortamda ve ağır ancak seyrek bulunan
15N izotopunu içeren farklı ortamlarda yetiştirdikleri ve böylece bu farklı 2 izotopla işaretlenmiş DNA’lara sahip
E. coli bakterilerinden izole ettikleri yeni sentezlenmiş DNA moleküllerinden geliyor (Şekil 5). Sonuçta, hücre içinde mevcut olan DNA molekülleri bölünme öncesinde semi-konservatif olarak çoğalıyor; yani ikili sarmalın anti-paralel konumdaki her iki dizini de ayrı ayrı şablon olarak kullanılıyor ve her bir dizinden yeni bir çift sarmal oluşuyor. DNA’nın çoğalmasına ilişkin olarak yıllar içerisinde şüphesiz bir çok yeni bilgi daha ortaya konuluyor ve bu tabii ki moleküler biyolojinin hızla gelişmesiyle daha detaylı çalışmalar yapılmasına ve araştırmaları daha kolay ve hassas bir şekilde yapmamıza imkan sağlıyor. Önümüzdeki sayıda artık tam olarak genetik şifre nedir, nasıl bulunmuştur ve ne şekilde kullanılmaktadır; bunları ortaya anlatmaya çalışacağım. Bu şekilde, kalıtımın ya da organizmalarının ne şekilde hayat bulduğunu da anlamaya başlamış olacağız.
[i] Watson, D. J. 1996. İkili Sarmal: DNA yapı çözümünün öyküsü. TÜBİTAK Popüler Bilim Kitapları. Ankara.