Evrim simülasyonunda gizli bir genetik anahtarı anlamak için yapılanlar
On binlerce nesil boyunca gelişen hücrelerin bilgisayar simülasyonları, bazı organizmaların neden şiddetli basınç altında aktive edilen terk edilmiş bir anahtar mekanizmasını koruduğunu ve bazı özelliklerinin değiştiğini ortaya koymaktadır. Bu “gizli” anahtarın bakımı organizmaların normal koşullarda gen ekspresyonunun yüksek derecede stabilitesini sürdürmeleri için bir araçtır.
Domates boynuzu larvaları sıcak alanlarda yeşildir, kamuflajı kolaylaştırır, ancak daha fazla güneş ışığını absorbe edebilsinler diye daha soğuk sıcaklıklarda siyahtır. Bazı organizmalarda bulunan bu olguya henotik anahtarlama denir. Normalde gizli, bu değişiklik tehlikeli genetik veya çevresel değişikliklere yanıt olarak tetiklenir.
Bilim adamları genellikle organizmaların nesiller boyunca geçirdiği değişiklikleri keşfederek bu süreci incelediler. Birkaç yıl önce, örneğin, bir grup nesiller boyu tütün boynuzu larvalarını gözlemlemek ve domates boynuzu akrabalarında meydana gelene benzer renk değişikliklerine neden olmak için yetiştirdi.
KAUST hesaplamalı yaşam bilimcisi Xin Gao, “Bilgisayar simülasyonları, mantıksal varsayımlara dayandığı nda ve dikkatli bir kontrol altında yürütüldüğünde, gerçek durumu taklit etmek için çok güçlü bir araçtır,” diyor. “Bu bilim adamları gözlemlemek ve aksi takdirde çok zor, ya da imkansız, sıvı laboratuvar deneylerinden gözlemlemek için ilkeleri anlamak yardımcı olur.”
Gao ve KAUST araştırmacısı Hiroyuki Kuwahara 1.000 aseksüel mikroorganizmanın evriminin bir bilgisayar simülasyonu tasarladı. Her organizmaya belirli bir X proteininin ekspresyonunu düzenleyen bir gen devresi modeli verildi.
Simülasyon 90.000’den fazla nesilden oluşan bir nüfus geliştirdi. Orijinal kurucu popülasyon aynı gen devrelerine sahipti ve 30.000’den fazla nesilden daha gelişmişti. Sonraki 30.000 nesil, ara nüfus olarak adlandırılan, her 20 nesil de değişen dalgalı bir ortama maruz kaldı. Son 30.000 nesil, üretilen nüfus, istikrarlı bir çevreye maruz kalmıştır.
Eski ve türetilmiş popülasyonlarda, istikrarlı ortamlara dönüşen bireyler, her ikisi de istikrar için optimize edilmiş gen ekspresyonu seviyelerine sahipti. Ama farklıydı: eski nüfusun istikrarı fenomeni değişimi içermiyordu, üretilen nüfus ise bunu içermiyordu. Kuwahara’ ya göre fark, koşullardaki dalgalanmalarla başa çıkabilmek için değişimin tercih edildiği ara nüfustan kaynaklanıyor.
Simülasyonlar, organizma popülasyonlarının, değişken koşullarda kolayca değişen düşük limitli anahtarların, çevre nin daha istikrarlı olduğu zaman üst limitli anahtarlara doğru kademeli olarak evrimi ile anahtarlama makinelerini uzun süre çevresel kararlılıkla koruduklarını göstermektedir.
Kuwahara, bunun küçük vardiyalarla metafaz olmayan bir duruma dönmekten daha kolay olduğunu söylüyor. Kuwahara, “Bunun yerine, evrimsel bir kapasitör gibi davranan, genetik varyantları depolayan ve önemli bozukluklar durumunda alternatif fenotipleri serbest bırakan bir tür ‘gizli’ fenotifoi transferiyle karşımıza çıkıyor.” diyor.
Ekip daha sonra daha karmaşık biyolojik sistemleri incelemek için bilgisayar simülasyonları kullanmayı planlarken, sıvı laboratuvar deneyleri yapan araştırmacılarla interaktif olarak çalışıyor. Amaçları deneysel olarak doğrulanabilecek teorik çerçeveler geliştirmektir.