Evrenin Ömründen Uzun Sürmeli: Proteinin Katlanışı

Bölüm metni

Vücudundaki her protein, düz bir iplik olarak doğup saniyenin kesirleri içinde tek bir doğru şekle bürünüyor. Ama o şekli denemeyle bulmaya kalkışsa, evrenin bugüne kadarki tüm yaşı yetmezdi. Yani zincir aslında aramıyor — peki ne yapıyor?

Hücrenizin içinde, tam şu anda, kesintisiz çalışan bir dokuma tezgâhı var. Ribozom adı verilen bu düzenek, genetik talimatı harf harf okuyor ve okuduğu her harfe karşılık ucundan bir boncuk sarkıtıyor. Boncuklar 20 çeşit: amino asitler. Birbirlerine art arda, tek sıra halinde dizilirler. Tezgâhtan çıkan şey, uzunluğu yüzlerce boncuğa varan, esnek, düz, hiçbir şeye benzemeyen bir iplik. Saniyede birkaç boncuk hızıyla, dakikada binlercesi üretilir. Ve bu ipliğin kendi başına hiçbir işe yaramadığını söylemek gerekir. Düz bir iplik olarak bir protein, bir enzim değildir, bir taşıyıcı değildir, bir kapı değildir. Hiçbir şeydir.

Çünkü proteinin işi, şeklinden gelir. Bir enzimi düşünün: görevi, belirli bir molekülü yakalayıp onu kesmek ya da birleştirmek. Bunu yapabilmesi için yüzeyinde o moleküle, sadece o moleküle uyan bir cep bulunması gerekir. Cebin derinliği, genişliği, duvarlarındaki yüklerin yeri, suyu itip çekme düzeni, hepsi hassas biçimde ayarlanmış olmalıdır. Bu cep, ipliğin kıvrılıp kendi üzerine katlanmasıyla ortaya çıkar. Dizilimde belki 40 boncuk arayla duran iki amino asit, katlanma bittiğinde yan yana gelip o cebin iki duvarını oluşturur. Şekil, işlevin kendisidir. Yanlış şekil, bozuk bir alet değildir; hiç alet değildir.

Şaşırtıcı olan şu: iplik bu şekli kendi başına buluyor. Dışarıdan bir kalıp yok, ipliği istenen biçime bastıran bir pres yok, "şimdi burayı kıvır" diyen ayrı bir talimat dosyası yok. Tezgâhtan çıkan iplik, sulu ortama bırakıldığı anda kendiliğinden toparlanıyor ve neredeyse her seferinde aynı, tek bir üç boyutlu yapıya oturuyor. Üstelik bunu çok çabuk yapıyor: küçük proteinler için iş saniyenin milyonda biriyle binde biri arasında bitiyor, büyükler için en fazla birkaç saniye sürüyor. Aynı dizilim, bugün ve yarın, sizde ve bir balıkta, hep aynı şekle varıyor.

Bunun gerçekten böyle olduğunu kanıtlayan deney 1961'de yapıldı. Christian Anfinsen, ribonükleaz denen bir enzim üzerinde çalışıyordu. Bu enzim 124 amino asit uzunluğunda, küçük ve dayanıklı bir protein; yapısını ayrıca dört tane kükürt köprüsü sıkıştırıp tutuyor. Anfinsen enzimi önce yıktı. Üreyle yapıdaki ince dengeyi bozdu, bir indirgeyici maddeyle de dört köprüyü kesti. Elinde kalan şey, çözeltinin içinde gevşemiş, işlevsiz, düz bir iplikti. Enzim ölmüştü, daha doğrusu enzim olmaktan çıkmıştı.

Sonra Anfinsen o maddeleri ortamdan uzaklaştırdı ve bekledi. İplik kendini topladı. Kesilmiş köprüler yeniden kuruldu ve enzim etkinliğinin yüzde 94'ü geri geldi. Buradaki ayrıntı, deneyi sıradan bir toparlanma hikâyesinden çıkarıp kesin bir kanıta dönüştürür: proteinde köprü kurmaya hazır 8 tane kükürt vardı ve bu 8 kükürdü dörderli çiftler halinde bağlamanın 105 ayrı yolu bulunuyor. Eğer köprüler rastgele kurulsaydı, doğru deseni tutturma şansı yüzde 1 civarında olurdu. Oysa iplik, doğru deseni neredeyse her defasında buldu.

Çıkan sonuç, moleküler biyolojinin temel taşlarından biri oldu: bir proteinin son şeklini belirleyen bütün bilgi, zaten amino asit diziliminin içindedir. Dizilim verildiğinde şekil, suyun içinde kendiliğinden en kararlı, enerjisi en düşük düzenlemeye yerleşerek ortaya çıkar. Anfinsen bu çalışmasıyla 1972 Nobel Kimya Ödülü'nü Stanford Moore ve William Stein ile paylaştı.

Bu şekli ayakta tutan şeyin ne kadar kırılgan olduğunu da eklemek gerek. Katlanmış bir proteini tutan güçlü bir çimento yoktur. Hidrojen bağları vardır, zayıf elektriksel çekimler vardır, artı ve eksi yüklerin birbirini bulması vardır; ama en belirleyici olan, suyun davranışıdır. Amino asitlerin bir kısmı yağ gibidir, suyla temastan kaçar. Su onları dışarıda tutmak yerine, kendi düzenini korumak için onları iç tarafa doğru sıkıştırır. Protein, dışarıdan bakıldığında suyla dost bir kabuk, içeride ise sıkıca paketlenmiş yağlı bir çekirdek haline gelir. Bu kuvvetlerin her biri tek tek, moleküllerin ısı yüzünden maruz kaldığı sarsıntıyla kıyaslanabilir büyüklüktedir. Yani protein, bir fısıltılar toplamıyla ayakta durur ve çoğu protein, çözülmekten yalnızca birkaç fısıltı uzaktadır.

Anfinsen, "neden bu şekil" sorusunu kapatmıştı. Ama tam o anda, farkında olmadan, çok daha rahatsız edici bir soruyu açtı. Şekil dizilimde yazılıysa, iplik o şekli nasıl buluyor?

Bu soruyu bir hesaba dönüştüren kişi, Amerikalı moleküler biyolog Cyrus Levinthal oldu. Levinthal, bilgisayarları biyolojik sorulara koşan ilk kuşaktandı; sayılarla düşünmeye alışkın biriydi. 1969'da katıldığı bir bilimsel toplantıda, kimsenin yüksek sesle sormadığı şeyi sordu: iplik doğru şekli bulurken aslında ne yapıyor? Akla gelen ilk cevap, aramak. Çeşitli şekilleri dener, hangisi en kararlıysa orada kalır. Levinthal bu cevabın maliyetini hesapladı.

Protein ipliğinin omurgası boyunca dönebilen bağlar vardır. Her amino asidin kendi bağlantı noktasında iki temel dönme serbestliği bulunur; yan zincirlerin kendi dönüşlerini saymasak bile. Bu dönüşler tamamen serbest değildir, atomlar birbirine çarpar, bazı açılar yasaklıdır. Ama her amino asit için yalnızca bir avuç farklı duruş mümkün olsa dahi, bu duruşlar zincir boyunca çarpılarak büyür. Levinthal, 150 amino asitlik orta boy bir protein için erişilebilir şekil sayısını kabaca 10 üzeri 300 olarak tahmin etti.

Bu sayının ne demek olduğunu kavramak kolay değil, çünkü gündelik hayatta karşılığı yok. Gözlemlenebilir evrendeki bütün atomların sayısı, kabaca 10 üzeri 80 civarındadır. Yani evrendeki her atomu alıp onu ayrı bir evren saysanız, sonra o evrenlerin her atomunu yine ayrı bir evren saysanız, bu işi üç kez tekrarlasanız bile henüz 10 üzeri 300'e varamıyorsunuz. Tek bir protein ipliğinin önünde duran seçenek yelpazesi bu.

Şimdi süreyi koyalım. Bir bağın dönüp yeni bir duruşa oturması, fizikçilerin bildiği en hızlı moleküler hareketler mertebesinde gerçekleşir: kabaca 10 üzeri eksi 13 saniye, yani trilyonda birkaç saniye. Protein bu azami hızla, hiç durmadan, hiç duraksamadan, hiç aynı şekli iki kez denemeden çalışsa bile, bütün seçenekleri tüketmesi 10 üzeri 287 saniye alır. Evrenin yaşı 13.8 milyar yıl; saniyeye çevirdiğinizde kabaca 10 üzeri 17 saniye, yani 1'in arkasına 17 sıfır. Oranı alırsanız, tek bir küçük proteinin şekil listesini bitirmesi için evren ömrünün 10 üzeri 270 katı gerekir.

Hesabı ters uçtan kurarsanız durum aynı kalır. Protein katlanmasını saniyenin kesirleriyle bitiriyor. O süre boyunca, en iyimser tahminle, deneyebileceği şekil sayısı sekiz sıfırlı bir sayıyı aşmaz. Levinthal'in işaret ettiği şey tam buydu: proteinin hayatı boyunca uğradığı şekillerin, mümkün şekillere oranı sıfırdan ayırt edilemez. Protein, aramayı bitirmiyor; aramaya doğru dürüst başlamıyor bile.

Bu durum tarihe Levinthal paradoksu olarak geçti, ama adı biraz yanıltıcı. Burada bir mantık çelişkisi yok. Burada bir çürütme var. Eğer kör arama varsayımı doğru olsaydı, proteinler katlanamazdı. Proteinler katlandığına göre, varsayım yanlıştır. Levinthal'in kendi vardığı sonuç da buydu: katlanma bir arama değil, bir yoldur. İplik, şekiller arasında dolaşmıyor; belirli bir güzergâhı izliyor. Levinthal bu fikri o kadar ciddiye aldı ki, proteinin oturduğu şeklin mutlaka en kararlı şekil olmak zorunda olmadığını, ulaşılabilir olan şekil olabileceğini söylemeye kadar götürdü. Bu, Anfinsen'in sonucuyla gerilimli bir duruştu ve alanı yıllarca ikiye bölen tartışmanın tohumuydu.

Dahası, deneyler ilerledikçe paradoks hafiflemedi, ağırlaştı. Ölçüm teknikleri keskinleştikçe proteinlerin sanılandan daha hızlı katlandığı anlaşıldı. Bazı küçük protein parçaları işi bir mikrosaniye, yani saniyenin milyonda biri mertebesinde bitiriyor. Tam bu noktada soru, biyolojinin sınırlarını aşıp daha çıplak bir hal alır: önünü göremeyen, hesap yapmayan, hedefi bilmeyen fizik, hayal edilemez büyüklükte bir samanlıkta iğneyi nasıl ilk hamlede buluyor?

Yanlış olan sayılar değildi. Yanlış olan, kafamızdaki manzaraydı.

Arama fikri, zihnimizde sessizce şöyle bir resim kurar: dümdüz bir alan, üzerinde milyarlarca eşdeğer nokta ve bir yerde tek bir çukur. Ken Dill bu resmi dev bir golf sahasına benzetmiştir: topu nereye koyarsanız koyun, delik hakkında hiçbir ipucu almazsınız, çünkü zemin her yerde aynı yüksekliktedir. Böyle bir sahada deliği bulmanın tek yolu gerçekten de her noktayı denemektir, ve Levinthal'in hesabı o sahada kusursuz biçimde geçerlidir. Soru şu: proteinin enerji manzarası neden golf sahası olsun?

1987'de Joseph Bryngelson ve Peter Wolynes bu soruya beklenmedik bir yerden girdi. Düzensiz manyetik maddelerin, spin camları denen sistemlerin istatistik mekaniğini protein zincirine uyarladılar. Bu yaklaşımda belirleyici kavram, çatışma. Bir zincirin içindeki amino asitler birbirleriyle aynı anda birçok farklı eşleşmeye girebilir ve bu eşleşmelerin bir kısmı birbirini dışlar: biri kurulursa öteki kurulamaz. Rastgele yazılmış bir zincirde çatışma boldur; böyle bir zincir, birbiriyle yarışan yüzlerce yarı kararlı duruma saplanır ve hiçbirinde karar kılamaz. Bryngelson ve Wolynes'in gördüğü şey, doğal proteinlerin rastgele zincirler olmadığıydı. Evrim, çatışması asgariye indirilmiş dizilimleri seçmişti. Böyle bir zincirde doğru temasların neredeyse tamamı birbirini destekler.

Bu özelliğin manzaraya ne yaptığını 1992'de Leopold, Montal ve Onuchic bir kelimeyle anlattı: huni. Düz bir saha değil, kenarlarından merkeze doğru eğimli, içi girintili çıkıntılı, dibinde doğru yapının durduğu geniş bir huni. Fark şurada: bu manzarada iplik hiçbir şey denemek zorunda değil. Her adımda enerji bakımından hafif bir eğim onu aşağıya doğru itiyor ve aşağıya doğru atılan her adım, geriye kalan seçenek kümesini keskin biçimde daraltıyor. Doğru kurulan bir temas, binlerce şekli bir çırpıda masadan kaldırıyor. Adım başına çok küçük bir yönlendirme, evren ömrü mertebesindeki süreleri mikrosaniyelere indirmeye yetiyor. Protein iğneyi samanlıkta bulmuyor; samanlığın her yerinde zemin iğneye doğru eğimli.

Gerçek katlanmanın kaba hatları bu resme oturuyor. Önce saniyenin milyonda biri mertebesinde bir çöküş olur: yağ gibi davranan amino asitler suyun baskısıyla içeriye kaçar ve zincir, hacmi birkaç kat küçülmüş, dağınık ama artık toparlanmış bir yumağa dönüşür. Bu ara duruma erimiş yumak denir; şekil kabaca doğrudur, ayrıntılar henüz yerine oturmamıştır. Sonra hunin dibinde ince ayar başlar, atomlar son yerlerine kilitlenir.

Bu tablonun kuramdan ibaret olmadığı 2011'de gösterildi. David E. Shaw'ın ekibi, Anton adlı, yalnızca moleküler hareketi hesaplamak için tasarlanmış özel bir süper bilgisayarda, hızlı katlanan 12 küçük proteini atom atom simüle etti. Zincirler, bilgisayarın içinde, kendiliğinden katlandı, çözüldü, tekrar katlandı; vardıkları yapılar laboratuvarda ölçülen yapılarla, harcadıkları süreler laboratuvarda ölçülen sürelerle uyuştu. Üstelik güzergâhlar görünür oldu: tek bir patika yok, dibe doğru yakınsayan bir güzergâh ailesi var. Levinthal yol demekte haklıydı, ama yol tekil değildi.

Yine de burada temiz bir kapanış ilan etmek yanlış olur, çünkü "protein katlanma problemi" aslında üç ayrı sorudur. Dizilim şekli nasıl belirler; katlanma nasıl bu kadar hızlı olur; dizilimden şekli hesaplayabilir miyiz. Son soru çözüldü. 2020'de, iki yılda bir yapılan uluslararası yapı tahmini sınavında AlphaFold adlı yapay zekâ sistemi, deneysel ölçüme yakın doğrulukta yapılar üretti ve on yıllardır tıkanmış bir alanı bir hamlede açtı. 2024 Nobel Kimya Ödülü'nün yarısı protein yapısı tahmini için Demis Hassabis ve John Jumper'a, diğer yarısı protein tasarımı için David Baker'a verildi. Ancak bu sistemler, akraba proteinlerin dizilimlerinde evrimin bıraktığı istatistik izleri okuyarak çalışır. Varış noktasını söylerler, yolculuğu söylemezler. Bir proteinin nereye oturacağını bilmek, oraya nasıl ve ne kadar hızlı gittiğini bilmek değildir. İkinci soru, Levinthal'in sorusu, hâlâ açık kalan kısımdır.

Hücrenin içi, ayrıca, deney tüpüne benzemiyor. Zincir ribozomdan bir anda değil, baştan sona azar azar çıkıyor; katlanma daha dizilim tamamlanmadan başlıyor, yani proteinin ilk yarısı ikinci yarısını hiç görmeden kendine bir şekil veriyor. Hücre öyle kalabalık ki moleküller birbirinin dibinde duruyor. Riskli zincirler için özel yardımcı proteinler var; bunlar yeni doğmuş ipliği kapatıp dış dünyadan yalıtıyor, ona kendini toparlaması için korunaklı bir oda açıyor.

Bu yardıma neden ihtiyaç duyulduğunu, hunin karanlık tarafı açıklıyor. Hunin kenarlarındaki girintilerden bazıları o kadar derindir ki bir zincir oraya düşerse çıkamaz. Yanlış katlanmış proteinler açıkta kalan yağlı yüzeylerini birbirine yapıştırarak uzun, sert lifler kurar; Alzheimer ve Parkinson hastalıklarında beyinde biriken çökeltiler bu türdendir. Prion hastalıklarında ise durum daha da sarsıcıdır: yanlış katlanmış bir şekil, komşu moleküllere kendi şeklini dayatır, yani hata kendini çoğaltır. Bu örneklerde proteinin doğal şekli, erişilebilir şekillerin en kararlısı bile değildir; yalnızca zincirin oraya daha çabuk vardığı şekildir. Levinthal'in o aykırı sezgisi, elli yıl sonra hastalık biyolojisinde karşılığını buldu. Üstelik insan proteinlerinin önemli bir bölümünde, hiç kararlı şekle oturmayan, gevşek kalan bölgeler var; bunlar işlerini tam da belirsiz kaldıkları için yapıyor. Bir dizilim bir şekle karşılık gelir kuralı, bir yasa değil, iyi bir kaba kural.

Geriye dönüp bakıldığında asıl değişen şey sayı değil. Levinthal'in 10 üzeri 300'ü hiç küçülmedi; bugün de doğru. Değişen, o sayıyı nasıl okuduğumuz. Onu bir süre hesabı sanmıştık; oysa o sayı, evrimin ne yapmak zorunda kaldığının ölçüsü. Rastgele yazılmış bir amino asit zinciri katlanmaz, topaklanır. Katlanabilme, zincirin kendiliğinden gelen bir özelliği değil; milyarlarca yıl boyunca ayıklanarak kazanılmış, manzarasını huniye çevirmiş özel dizilimlerin ayrıcalığı. Yani "nasıl bu kadar hızlı" sorusunun cevabı, hızlı bir arama değil. Cevap, hiç aranmadığı.

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.