Hücrelerin içinde, faz ayrımı, kimyasal aktivitesi hücresel işlevi destekleyen ve yaşamın başlangıcına dair bir ipucu sunan şaşırtıcı derecede hareketlilikle sonuçlanan damlacıklar üretir.
Damlacıklar yaygın bir olaydır. Bir pencere camından nasıl damladıklarını ve yağmur gibi nasıl yağdıklarını içgüdüsel olarak anlayabiliriz. Kimyasal etkileşimler tarafından yönlendirilen aktif damlacıkların davranışı daha az sezgisel ve tanıdıktır. Yine de aktif damlacıklar, vücudumuzun her bir hücresinde çok çeşitli biyomoleküllerin ve bunların etkileşimlerinin düzenlenmesi için gereklidir. Şimdi, Münih Ludwig Maximilian Üniversitesi’nden Leonardo Demarchi ve meslektaşları tarafından bu aktif damlacıkların bağımsız olarak hareket edebildiği veya sınırlayıcı duvarlar arasında salınabildiği gösterildi. Bu eylemler, yaşamın ilk olarak cansız maddeden nasıl geliştiğine dair bir ipucu sunabilir.
Biyolojik hücrelerde birçok farklı biyomolekül türü birbiriyle itişip kakışır ve etkileşime girer. Karmaşıklıklarına rağmen, hücreler sağlam bir şekilde davranır ve çok çeşitli dış tehditlere uyum sağlar. Artık bu karmaşık sistem hakkında çok az şey biliyoruz ve yaşamı mümkün kılan karmaşıklığın cansız maddeden kendiliğinden nasıl kaynaklandığı hakkında daha da az şey biliyoruz. Ancak son yıllarda, biyomoleküller arasındaki zayıf fiziksel etkileşimlerin çözümün kilit bir bileşeni olduğu ortaya çıkmıştır. Bu etkileşimler nedeniyle, bazı moleküller geçici olarak birbirine yapışırken diğerlerinden kaçınabilir ve bu da çevrelerinden farklı kimyasal bileşimlere sahip damlacıkların kendiliğinden oluşmasına neden olabilir. Bu tür teoriler ilk olarak bir asır önce biyokimyacı Alexander Oparin tarafından ortaya atılmıştı, ancak deneysel doğrulama son zamanlara kadar gelmedi.
Damlacıklar bu kadar önemliyse, biyolojik hücreler damlacıkların uygun zamanda, yerde ve boyutta oluşmasını nasıl sağlar? Neredeyse tüm hücresel işlevleri düzenledikleri için, enzimlerin “substrat” moleküllerinin “ürün” moleküllerine dönüşümünü düzenlediği kimyasal reaksiyonlar bu soruyu cevaplamak için birincil olasılıktır. Modeller gerçekten de bu enzim kontrollü süreçlerin damlacık boyutunu düzenleme ve potansiyel olarak kendiliğinden bölünmeyi tetikleme yeteneğine sahip olduğunu ima etmektedir. Bu kavram temelinde Demarchi ve arkadaşları, katalitik olarak aktif damlacıkların da göç edebileceğini göstermiştir. Faz ayrımını katalizlenen kimyasal reaksiyonlarla birleştiren basit bir modeli inceleyen araştırmacılar, bu modeli sayısal olarak simüle ve analiz etmişlerdir. Damlacıkların kendi kendini itmesi her iki yöntemle de güvenilir bir şekilde gösterilmiştir.
Damlacıklar, başlangıçta homojen olan bir çözeltinin kendiliğinden yoğun ve seyreltik olmak üzere iki faz oluşturduğu faz ayrımı ile ortaya çıkar. Faz ayrımı tamamen fiziksel etkileşimlerin sonucudur ve denge termodinamiği bunu açıklayabilir. Bir damlacığın kimyasal bileşimi çevresinden farklıdır ve enzimleri konsantre edebilir, böylece belirli bir reaksiyon çoğunlukla damlacık içinde gerçekleşir. Sonuç olarak damlacık, harici bir substrat molekülünü tamamen yeni bir ürün molekülüne dönüştüren bir reaksiyon potası görevi görür. Ürün molekülü dışarıdaki substrat molekülüne geri dönüştürülürse damlacık ve çevre arasında döngüsel bir malzeme akışı gelişir. Bu süreç, hücrelerdeki ATP gibi harici enerji girdisi tarafından yönlendirilir.
Bu tür döngüsel akışlar başlangıçta anlamsız hamster çarkları gibi görünse de, damlacıkların boyutları ve biçimleri üzerinde etkili oldukları gösterilmiştir. Temel olarak bunun nedeni, küçük damlacıkların hacimlerine göre aşırı yüksek yüzey enerjilerine sahip olmaları, ancak büyük damlacıkların substratı ürüne dönüştürmede daha az etkili olmalarıdır. Substrat veya ürün heterojen bir şekilde dağılmışsa, kolloidal partiküllerin bir gradyana yanıt olarak viskoz bir sıvı içinde hareket etmesine benzer şekilde damlacıklar da sürüklenebilir. Demarchi ve meslektaşlarının birincil katkısı, damlacık sürüklenmesinin substrat ve ürünün heterojenliğini artırabileceğini kanıtlamalarıdır. Damlacıklar, ortaya çıkan pozitif geri besleme sayesinde, kendi oluşturdukları bir dalga üzerinde sörf yapıyormuş gibi sürekli hareket edebilirler.
Aktif damlacıkların kendilerini itme kabiliyetleri, özellikle hücre içi gibi küçük alanlarda ilgi çekici etkilere sahiptir. Aktiviteleri düşük olduğunda duvarlar damlacıkları reddeder, bu nedenle merkezi bir konum bulmak için duvarlardan olabildiğince uzağa hareket ederler. Damlacıklar merkezi aşabilir ve geniş bir alanı geçen bir robot elektrikli süpürge gibi, artan aktivite ile duvarlar arasında sürekli salınabilir. Bir damlacık zaman zaman o kadar güçlü bir kendi kendine itme kuvveti yaşayabilir ki bir duvara çarpıp sıkışabilir. Çevresindeki substrat moleküllerini tüketen damlacık ile ürün moleküllerini substrata geri dönüştüren ikmal mekanizması arasındaki etkileşim, tüm bu özelliklerin ortaya çıkmasına neden olur.
Boyut kontrolüne, aynı kimyasal bileşime sahip birçok damlacığın bir arada bulunmasına ve ideal boyuta ulaşmak için kendiliğinden bölünmesine izin veren aynı kimya-fizik etkileşimi aracılık eder.
Enzimatik olarak düzenlenen reaksiyonlar, küçük damlacıkların davranışını hassas bir şekilde tahmin etmek için kullanılabileceğinden endüstriyel süreçlerde faydalı olma potansiyeline sahiptir. Kimyagerler, kendi kendini organize etme konusundaki muazzam potansiyeli kontrol etmek için laboratuvarda bu tür damlacıkları evcilleştirmeye başlıyor. Ürünlerin ve substratların istenmeyen çöpler üretmeden sürekli kullanımı, sistemlerin yerleşik geri dönüşümünü cazip hale getirmektedir.
Tipik olarak canlılarla ilişkilendirdiğimiz birkaç özellik, enzimle zenginleştirilmiş damlacıklarda bulunabilir. Bunlar her şeyden önce çevrelerinin bir parçası olmayan farklı canlılardır.
İkinci olarak, bileşimlerini ve boyutlarını düzenlemek için yakındaki maddeleri metabolize ederler, bolluk dönemlerinde çoğalırlar ve kıtlık dönemlerinde yok olurlar. Üçüncüsü, daha yeşil otlaklara ulaşmak için yollarındaki engellere yanıt vererek kendi başlarına giderler. Enzimle zenginleştirilmiş damlacıklar, yaşamın bu özelliklerine sahip olmalarına rağmen, tipik olarak yaşamla özdeşleştirdiğimiz yapıların içsel karmaşıklığından ve evrim için gerekli adaptasyondan yoksundur. Yine de, daha karmaşık damlacıklar iç yapılar sergileyebilir ve RNA ve diğer büyük biyopolimerlerin kusurlu kopyalarının evrimsel süreçlere ihtiyaç duydukları esnekliği vermesi mümkündür. Dolayısıyla, damlacıklar yaşamın başlangıcında mantıklı bir adım olabilir.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/45
