Bazıları Sıcak Sever: Thermus Aquaticus ve Taq Polimeraz

Giriş

Thermus aquaticus. Mikrobiyoloji’de devrim niteliğinde etki yaratan bu isim bir bakteriye ait. Thermus aquaticus’un, Yellowstone Ulusal Parkı’ndan laboratuvarlarımızda ismini son zamanlarda sıkça duyduğumuz Polimeraz Zincir Reaksiyonu (PCR)‘na uzanan maceralı bir serüveni vardır. Hadi bu serüvene yakından bakalım.

Thermus Aquaticus Ekstremofil Bir Mikroorganizmadır!

Öncelikle Thermus aquaticus, Ekstremofil katogorisinde bir canlıdır. Adından da anlaşılacağı gibi ekstrem koşullara dayanaklı ve genellikle bu koşullara gereksinim duyan, çoğunlukla tek hücreli mikroorganizmalardır. Bu organizmalar, bizim ile yaşamayı pek sevmedikleri için çok uç koşullarda yaşamayı seçmiş ve bu şartlara göre evrilmişlerdir. Ekstremofiller arke veya bakteriler sıcaklık, pH, tuzluluk, UV radyasyon, toksik maddeler, kuraklık, açlık ve basınç gibi stres faktörlerine karşı kendilerini çevreye adapte etmişler ve bunu sağlayabilmek için özel proteinler ve enzimler üretmişlerdir. Termofiller ise Ekstremofillerin bir alt grubu olup, optimum büyüme sıcaklığı 45°C’yi aşan organizmalardır ve optimum 80°C’yi aşanlar Hipertermofiller olarak adlandırılır.

Thermus Aquaticus Biyolojisi

Thermus aquaticus, kaplıcalarda büyüyen bir termofilik bakterinin bilimsel adıdır. 1960’larda yaşamın çeşitliliği hakkında bilinenler sınırlıydı. Örneğin; insan yaşamın sınırının 130 Fahrenhayt olduğunu düşünmekteydiler. Çünkü çoğu organizma, 130 derecenin üzerine çıktığında hücrelerindeki proteinler, yapı değiştirerek işlevsiz hale gelirler. Proteinler hücresel faaliyetlerimizin çoğunda görev aldıklarından yüksek sıcaklıklar ve dolayısıyla işlevlerini kaybetmeleri  genellikle ölümcüldür.

Ancak 1969’da, sıcağı seven bakteriler ilk olarak Dr. Thomas Brock tarafından keşfedildikten sonra dünyadaki yaşamın mümkün olduğu çeşitli koşullar hakkında bize bilgi vermenin yanı sıra, ilaç ve tarım araştırmaları dahil olmak üzere birçok alanda devrim yaratan ve hatta biyoteknoloji alanının oluşturulmasında rol oynayan birçok bilimsel gelişmeyi de kolaylaştırdı. Bu tek hücreli mikroorganizma, en iyi 160 derece Fahrenhayt’ta yaşayabilmektedir. Bu, insanların o zamanlar yaşamın sınırı olduğunu düşündüğünden 30 derece daha sıcaktır. Peki Thermus aquaticus yalnızca aşırı yüksek sıcaklıklarda gelişmekle nasıl bir devrim yarattı diye düşünebilirsiniz.

Sene 1953… DNA’nın yapısının keşfedilmesiyle dünya gündeminde artık bambaşka sorular konuşuluyordu. Genler nedir? Türler arasında nasıl farklılık gösterirler? İnsanlar arasında nasıl farklılık gösterirler? Fakat DNA çok küçük olduğu için, onu derinlemesine incelemeye başlamak için, küçük hücrelerden çıkarabileceğimizden daha fazlasına ihtiyacımız vardı. Bu, araştırmacılar için büyük engel oluşturuyordu.

Bu reaksiyon için gerekli olan yüksek sıcaklıklarda denatüre olmadan kararlılığı koruyan bir enzimdi. İşte bu noktada kendinden “Yılın Molekülü” olarak bahsettirecek Taq Polimeraz devreye girmektedir.

Ancak 1983’te DNA’nın yapısının keşfedilmesinden 30 yıl sonra, Kary Mullis adlı bir bilim insanı, adını son zamanlarda daha sık duyduğumuz DNA’dan milyonlarca kopya alabilmeyi sağlayan Polimeraz Zincir Reaksiyonu veya PCR adı verilen bir yöntem keşfetti. Bu çok değerli bir buluştu ancak bir sorun vardı: PCR, elde edeceğimiz DNA’nın bulunduğu protein yapılı örneği yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmasını gerektirmeydi. Ancak yüksek sıcaklıklar, bizim için gerekli olan DNA’yı kopyalamak için gereken tüm enzimleri de denatüre etti. Bu reaksiyon için gerekli olan yüksek sıcaklıklarda denatüre olmadan kararlılığı koruyan bir enzimdi. İşte bu noktada kendinden “Yılın Molekülü” olarak bahsettirecek Taq Polimeraz devreye girmektedir.

Taq Polimeraz’ın Keşfinin PCR’daki Önemi

Taq Polimeraz ilk olarak, 1976’da Chien ve arkadaşları tarafından Thermus aquaticus‘tan izole edilmiştir. Thermus aquaticus’un proteinleri ısıya dayanıklıdır. Bunlardan biri olan Taq DNA Polimeraz, optimum çalışma sıcaklığı 72 °C iken  95 °C’de bile denatüre olmaz ve DNA’yı kopyalamaya devam edebilir. Yani, PCR yönteminde büyük bir açığı doldurmak için ve tek bir hedefli DNA parçasının büyük miktarlarda kopyalanması sürecinin önemli ölçüde kolaylaştırılabileceği anlamına geliyordu.

Bu termostabil Taq Polimeraz için bulunan ilk avantaj, diğer kaynaklardan elde edilebilen DNA Polimeraz’dan daha saf bir biçimde izole edilebilmesiydi. Ancak Thermus aquaticus‘u (Taq) DNA dizilemesi için mükemmel kılan ana neden, geniş bir sıcaklık aralığında aktif olması ve bu nedenle PCR sırasında gerekli olan proteinin denatüre olmasına dayanabilmesidir. Bu sayede, polimerazın her döngü için eklenmesine gerek kalmaz ve PCR döngüleri otomatikleştirilebilir. PCR’ın bu hızı büyük miktarlarda DNA üretimine izin verdi ve genlerimiz üzerinde yapılan çalışmalarda hatrı sayılır bir hız başlattı. Ve gerisi domino taşları gibi birbiri ardına gelen yeni buluşlar yeni teknolojilere sahip olmamızı sağladı.

Bu bakteri sayesinde, İnsan Genom Projesi’ne sahibiz. Ayrıca DNA parmak izi, bulaşıcı ve kalıtsal hastalıkların teşhisi için gerekli teknolojiye sahibiz. Bu organizma sayesinde, Meme Kanseri için bir gen veya bizi brokoliden nefret ettiren bir gen taşıyıp taşımadığımızı belirleyebiliriz. Ve daha akıllara gelmeyen, ilerde adından çokça bahsedilecek başka keşifler için. Bütün bunları, bir kum tanesinden 500 kat daha küçük bir organizmanın sıcak, vıcık vıcık ortamlara olan sevgisine borçluyuz. Teşekkürler Thermus aquaticus!

Kaynaklar:

1. DNA sequencing with Thermus aquaticus DNA polymerase and direct sequencing of polymerase chain reaction-amplified DNA Thermus Aquaticus – An Overview: Encyclopedia of Life E. Van Pelt-Verkuil et al., Principles and Technical Aspects of PCR Amplification, Springer Science (2008)
2. https://www.montananaturalist.org/blog-post/thermus-aquaticus/
3. http://www.genengnews.com/insight-and-intelligence/pcr-has-a-history-of-amplifying-itsgame/77900611/

Görsel Kaynak: https://www.nature.com/collections/ijehfgdfgi/

Editör: Elif Berfin KORGAN