Bitkilerin büyümesi için güneş ışığından yararlanmalarını gerektiren fotosentetik makineleri inşa etmek; binlerce gen gerektirir. Yine de araştırmacılar bu genlerin tam olarak nasıl çalıştığını bilmiyor.
Princeton Üniversitesi araştırmacıları tarafından yönetilen bir ekip, araştırmacıların her bir genin ne yaptığını bulmalarına yardımcı olmak için bir “kütüphane” inşa etti. Ekip, kütüphaneyi kullanarak; bu yaşamı sürdüren biyolojik sürece farklı bakış açıları sağlama potansiyeli yüksek, yeni keşfedilen 21 gen içeren fotosentez ile ilgili 303 gen tanımladı.
Princeton Moleküler Biyoloji Profesörü Martin Jonikas: “Santralin fotosentezden sorumlu olan kısmı, birçok parçadan oluşan karmaşık bir makine gibi ve her bir parçanın ne yaptığını anlamak istiyoruz. Bu kütüphane, umarız, gelecek nesilde keşifleri yapmak için insanların inşa edeceği temellerden biri olacaktır.”
Her genin rolünün kilidinin açılması, araştırmacıların bitkileri daha hızlı büyümelerini sağlayacak ve potansiyel olarak gelecekteki dünya gıda gereksinimlerini karşılayacak şekilde üretmelerine izin verebilecektir. Bitkiler; ayrıca daha fazla karbon dioksiti emerek potansiyel olarak değişebilir ve iklim zorluklarının ele alınmasına yardımcı olabilir.
Ulusal Bilim Vakfı tarafından verilen hibe ile büyük oranda finanse edilen kütüphane, Chlamydomonas reinhardtii veya kısaca Chlamy olarak bilinen binlerce tek hücreli, gölet konut yosunundan oluşuyor. Kütüphanedeki her “kitap”, tek bir mutasyona sahip bir Chlamy türüdür. Minnesota Üniversitesi Chlamydomonas Kaynak Merkezi‘nde bulunan 62.000’den fazla mutant türü, Chlamy’nin genlerinin yüzde 80’inden fazlasını kapsıyor.
Maya gibi diğer tek hücreli organizmalarda da benzer kütüphaneler yapılmıştır. Ancak bu tek hücreli fotosentetik organizmalar için ilk kez yapılan bir çalışmadır. Tek hücreli organizmaların hızlı büyümesi onları araştırma aracı olarak değerli kılar.
Ulusal Bilim Vakfı Program Direktörü Karen Cone: “Bu alg türü, genellikle daha geniş biyolojik süreçleri anlamak için bir model olarak kullanıldığından; kütüphane önemli bir kaynak olacaktır. Jonikas grubu ve Chlamydomonas Kaynak Merkezi arasındaki ortaklık; bu değerli kaynağa toplumun erişilebilirliğini arttırıyor. Özellikle NSF’nin araştırma öncelikli alanlarından birinde, ‘Yaşam Kurallarını Anlamak’ gibi yeni keşifler sağlayacaktır.”
Chlamy’nin genomunda doğabilecek çeşitli zorluklar nedeniyle; projenin tamamlanması dokuz yıl sürdü. Proje boyunca araştırmacılar; yaşadıkları besin yönünden zengin sıvı ortamları değiştirerek hücrelerin neslini canlı tutmak için robotlar kullandılar.
Proje 2010 yılında Stanford Üniversitesi kampüsündeki Carnegie Bilim Enstitüsü‘nde başladı ve Jonikas Laboratuvarı‘nın 2016 yılında taşındığı Princeton’da tamamlandı. Carnegie ve Chlamydomonas Kaynak Merkezi, Minnesota Üniversitesi’nde Bitki ve Mikrobiyal Biyoloji Profesörü Paul Lefebvre tarafından işletilmektedir.
Diğer tüm işlevsel genler arasında yalnızca bir kusurlu geni olan Chlamy hücresini gözlemleme yeteneği, araştırmacıların bu genin ne yaptığını anlamalarını sağlıyor. Örneğin, eğer hücre hareket etmekte zorlanıyorsa, o zaman kusurlu genin işlevi büyük olasılıkla yönetim hareketini içeriyor.
Jonikas, Chlamy mutant kütüphanesini, bir araba yapımı için, kılavuzun binlerce kopyasını içeren bir kütüphaneyle karşılaştırdı. Her kopyada farklı bir bölüm eksikti. Hangi el kitabının kullanıldığına bakılmaksızın, sonuçta ortaya çıkan arabada, bir parça eksik olacak ve beklendiği gibi çalışmamasını sağlayacaktır.
Jonikas: “Korna çalışmayabilir veya direksiyon simidi dönmeyebilir. O zaman, eksik olan bölümün, arabanın o bölümü için talimatlar içerdiğini anlarsın.”
Kütüphane, araştırmacıların birden fazla mutant Chlamy suşunu aynı anda test etmelerini sağıyor. Çünkü her bir mutasyon benzersiz bir “DNA barkodu” ile etiketleniyor. Mevcut çalışma için, araştırmacılar binlerce Chlamy suşu tek bir şişeye yerleştirdi ve onları ışığa maruz bıraktı. Büyümekte olmayan suşların fotosentez ile ilgili bir gen içerme olasılıkları daha yüksekti.
Yeni tanımlanan genlerden biri, fotosentetik makinenin protein “kısımlarının” birikmesinde rol oynadığı düşünülen CPL3’tür. Ekip şimdi; genin alglerin fotosentetik aktivitelerini, güneş ışığı seviyesindeki değişikliklere ayarlamasına yardımcı olup olmadığını araştırıyor.
Mutant kütüphanesi; hücre içi iletişim ve Chlamy’nin devamı benzeri bir silyum kullanarak, kendi çevresinde dolaşma kabiliyeti gibi bitki biyolojisinin diğer alanlarındaki çalışmaları da sağlayabilir.
Çalışmanın ilk yazarı Xiaobo Li: “Chlamydomonas mutant kütüphanesinin ve tanımlanan genlerin, fotosentez, hücre motilitesi ve diğer birçok süreçte sayısız temel keşiflere yol açacağını umuyoruz.”
Jonikas Laboratuvarı Biyoinformatik Analist Weronika Patena: “Fotosentezde en muhtemel olan genleri tanımlamak ve büyük miktarda veriyi analiz etmek için bilgisayar programları yazdık. Bu projenin başarısının, Chlamy’nin iyi bir model olduğu fotosentez ve diğer süreçlerle ilgili araştırmaları büyük ölçüde hızlandıracağına ve bilimsel topluma çok değer katacağına inanıyorum.”
