Bu metin, 30 Mart 2021’de yayınlanan ve Betül Başak’ın yönettiği “Antik DNA’dan öğrendiklerimiz” başlıklı “Meraklısına Bilim” sohbetinden derlenmiş, yazarı tarafından gözden geçirilerek Meraklısına Bilim 2021 seçki kitabı için hazırlanmıştır. Bu ve benzeri yazıları bulabileceğiniz ve geçen ay ekitap olarak Bilim Akademisi yayınlarından çıkan seçkimizi Kobo veya GoogleKitaplar‘dan temin edebilirsiniz.
2022 Nobel Tıp ve Fizyoloji ödülü antik DNA alanında çığır açan araştırmaları için Svante Pääbo’ya verildi, bu vesileyle söyleşi metnini paylaşmak istedik. Pääbo, araştırmalarıyla Neandertal’in genom dizilemesini yaptı; daha önce bilinmeyen bir hominin olan Denisova’yı keşfetti ve bu soyu tükenmiş homininlerden Homo Sapiens’e gen akışı olduğunu gösterdi. Günümüz insanlarına gelen bu eski gen akışı, bağışıklık sistemimizin enfeksiyonlara nasıl tepki verdiğine dair bir fizyolojik öneme de sahip.
Antik DNA nedir?
Ölmüş canlıların kalıntılarından elde ettiğimiz materyalin içinde belli bir süre DNA saklı kalabiliyor, buna genel olarak antik DNA diyoruz. Bu herhangi bir canlı olabilir. Genelde kemikten ve dişten elde ediyoruz DNA’yı, ama örneğin daha zor ve seyrek de olsa kurumuş dışkıdan ya da toprak sedimanından da elde etmek mümkün. Müze örneklerinden elde ettiğimiz DNA’ya da antik DNA diyoruz, ama çoğunlukla antik DNA çalışmaları yeraltından bulduğumuz binlerce, bazen on ya da yüz binlerce yaşında örneklerden elde edilen DNA dizilerinin incelenmesini içeriyor. Bu örneklerde DNA moleküllerini çıkarıyoruz, işliyoruz dizilerini çıkartıyoruz sonra bu dizilerle yaptığımız analizlerden bu canlıların akrabalıklarına, özelliklerine dair bilgi ediniyoruz.
Antik DNA’ya bütün canlı kalıntılarından ulaşabiliyor muyuz, yoksa belli korunma şartları gerekiyor mu?
Canlı öldükten kısa süre sonra, yumuşak dokuları çürüyor, büyük ölçüde bakteri aktivitesi sayesinde. Bakterilerin, bazen başka canlıların da katkısıyla oluyor bu. Kemikler de çürüyebiliyor. Örneğin toprak asitliyse, ortam sıcaksa organik dokular çok hızlı bir biçimde parçalanabiliyor ve görece yakın zamanlardan elde edilen kemikler kalmayabiliyor, ya da bunlardan DNA elde edilemiyor. Tam tersine, mesela Sibirya gibi bölgelerde bulunan sürekli donmuş ortamlarda, (buna permafrost deniyor) koşullar ölüm sonrası bakteri aktivitesini zorlaştırıyor. Böylece canlının dokuları korunuyor. Doku hızla kurumuşsa veya toprağın pH’ının yüksek olması sebebiyle de korunabiliyor. Bu tip durumlarda diğer organik maddelerle beraber DNA da daha uzun süre dayanabiliyor. Biz de o bilgiyi elde edebiliyoruz. Genelde laboratuvarda çalışanlar dokunun korunmuşluğuna dair bir hisse sahip oluyorlar. Ellerine aldıklarında kemik ufalanıyorsa “Bundan pek DNA çıkmaz.” diyorlar.
İncelemek için hangi teknolojilerden yararlanıyorsunuz?
Aslında bugünkü genetik analiz yöntemleri büyük ölçüde standart. DNA’yı saflaştırıyorsunuz, bu bir dizi kimyasal işlem içeriyor. Diğer organik bileşiklerden ayırıyorsunuz sonra da bugünkü teknolojiyle DNA moleküllerinin uçlarına yapay ufak DNA parçaları ekliyorsunuz. DNA moleküllerini bu eklenen dizilerden faydalanarak çoğaltıyorsunuz. Bu da PCR; antik DNA için de böyle bir çoğaltma işlemi gerekiyor.
Bu PCR işlemini, Covid-19 salgını sayesinde herkes duydu. PCR dediğim, DNA ya da RNA dediğimiz nükleik asit moleküllerini çoğaltmak için kullanılan bir zincir reaksiyonu. Bir ısıtma soğutma döngüsünden yararlanarak tek bir kopya olan molekülden milyarlarca kopya üretilebiliyor. Bu işlem yapılıyor antik DNA’da da. Sonra da asıl dizileme işlemine geçiliyor. Dizileme işlemi de standart olarak büyük ve pahalı makinelerde yürütülüyor. Kütle spektrometresi gibi standart bir işlem ve biz de sonra bu makinelerden DNA’nın okunmuş dizisini elde ediyoruz, ATGC gibi. Sonra asıl hesaplama kısmı başlıyor. Bizim ODTÜ’de ve Hacettepe’de yaptığımız, DNA’yı saflaştırma ve bu makinelerde okunur hale getirme, sonra da okunan bu dizileri alıp analiz etme.
Sizin bu yaptığınız çalışmalar özellikle antropoloji ve arkeoloji alanında çalışan kişiler için çok faydalı. Onlar nasıl kullanıyor bu bulduğunuz bilgileri?
Bu elde ettiğimiz genetik verinin antropoloji ve arkeolojiye iki tip faydası olabiliyor.
Birincisi arkeologlar, belli bölgelerde yaşayan insanların, örneğin değişen materyal kültürlerini yüz küsür yıldır ayrıntılı biçimde belgeliyorlar. Örneğin Hititlerin kültürel özelliklerini, teknolojilerini, belli ritüellerin nasıl ve ne zaman ortaya çıktığını, sosyal yapıların nasıl değiştiğini hem yazılı kayıtlardan hem arkeolojik kayıtlardan takip edebiliyorsunuz. Bu kültürel değişimlere acaba insan hareketleri eşlik etti mi? Ettiyse ne derecede? Eşlik ettiyse bu daha çok erkeklerin mi, yoksa kadınların mı hareketiydi? Bu tür soruları sırf arkeolojik ve tarihsel veriden yola çıkarak cevaplamak mümkün olmuyor; antik DNA orada devreye giriyor. Çünkü doğrudan genetik veriden akrabalık hesaplayabiliyoruz. Hepimizin aşina olduğu babalık testinin bir versiyonunu yapıyoruz gibi düşünebilirsiniz kemikler üzerinde. Bunu popülasyonlar düzeyinde de yapabiliyorsunuz.
Diyelim ki Tunç Çağı’nda gördüğümüz C popülasyonu Neolitik Çağ’da ondan önceki bir dönemde gördüğümüz A veya B popülasyonundan hangisine daha yakın? A ve C aynı bölgede yaşadılar ve yakın akrabalar mı? Dolayısıyla popülasyon fazla değişmemiş mi? Yoksa C, başka bir bölgede yaşayan B’yle mi daha yakın akraba? Yani o bölgedeki popülasyon değişmiş mi, gibi soruları cevaplayabiliyoruz.
Antik DNA çalışmaları evrimsel biyolojide nasıl kullanılıyor? Nasıl sonuçlara yol açıyor?
İnsanlardan, koyun ya da at gibi evcil hayvanlardan elde ettiğimiz antik DNA verisi, popülasyon dinamiklerini anlama, insanlığın geçmişine, başka türlerle ve türlerin birbirleriyle etkileşimine dair bilgi veriyor. Bunun da ötesinde biyolojik değişimleri anlamak ve çeşitli biyolojik özelliklerin tarihini yani evrimi incelemek için de antik DNA çok iyi ve faydalı bir kaynak.
İnsan örneğinden konuşacak olursak bugün üretilip yayınlanmış antik DNA örneklerinin çoğu son 10.000 seneye ait örnekler. Aslında 10.000 senelik zaman dilimleri insan evriminde çok çok uzun zaman dilimleri değil, dolayısıyla genetik olarak yaşanan değişimler çok büyük değişimler değil. Zaten bu yüzden de insan antik DNA’sı çalışmaları genelde demografik dinamikler, popülasyon tarihini anlamaya yönelik çalışmalar oluyor. Karışmalar, kim nereden nereye gitmiş, nasıl ayrılmış, ne zaman karışmış, akrabalık seviyeleri neymiş? Ama bunların yanı sıra biyolojik geçmişle ilgili kimi sorular da cevaplanabiliyor. Örneğin ten rengi gibi bir özelliğin zaman içinde nasıl değiştiği ortaya çıkıyor.
Şunu biliyoruz bugün yaşayan insan gruplarının hepsinin ataları ağırlıkla Afrika’dan. Tüm insanlık 150.000 yıl öncesine kadar bir tür olarak Afrika’da yaşıyordu. Daha doğrusu bugünkü tüm insanların atalarının %90-95’i 150.000 yıl öncesinde Afrika’ydı, az bir miktar da Neandertal gibi yakın akraba gruplardan karışımlar olmuş.
İşte 100 ila 50 bin yıl önce bu grupların bir kısmı Afrika’dan çıkıp Avrasya’ya yayılıyorlar ve Avrasya’ya yayılanların bir kısmında da açık ten rengi evriliyor. Bugün Avrasyalıların özellikle daha kuzey bölgelerde yaşayanların ten renginin açık olması bu genetik değişimlerden kaynaklanıyor. Bunun tarihini, bu değişimlerin ne zaman ne kadar hızlı yayılabildiğini, kaç gende değişiklik yaşandığını antik DNA verisiyle takip edebiliyoruz. Bunu fosil kaydında doğrudan göremiyoruz, çünkü deri çürüyünce eski insanların ten rengi bilgisi kalmıyor. Ama kemikteki antik DNA verisi örneğin böyle bir değişimin tarihini incelememize izin veriyor. Çünkü kemikteki DNA ile derideki DNA özünde aynı. İnsanlar kuzey bölgelere yerleştikçe güneş ışığı azalıyor, çevre değişiyor ve bunun karşısında nesiller içinde popülasyonda bir tepki görüyoruz. Aslında güneş ışığı azaldığı için bu mutasyon ortaya çıkmıyor. Mutasyonlar sürekli ve tamamen rastgele yaşanıyor. Covid’de olduğu gibi. Mutasyon tamamen bir hata. Ama hatalar nadiren bile olsa organizma için faydalı olabiliyor. İşte o faydalı hatalar gelecek nesillere daha sık aktarılabiliyor. Açık ten rengine yol açan varyantlar da bu şekilde rastgele ortaya çıkmış son 50.000 sene içinde. Kimi varyantların daha başarılı olması ve sıklaşması, doğal seçilimin sonucu. Covid’de bugün mesela Delta varyantı denilen, daha hızlı yayılan varyantın kaderiyle aynı şey. Bir varyant alternatiflerine kıyasla daha hızlı yayılmaya izin veriyorsa buna virüs açısından başarı diyoruz. Daha hızlı yayılan varyant bir süre sonra gen havuzuna tamamen hakim oluyor.
2021’in şubat ayında sizin de olduğunuz bir grup en eski antik DNA örneğini buldu. Bu bir mamut DNA’sı. Bu araştırmanın önemini bize kısaca anlatabilir misiniz?
Antik DNA aslında 1980’lerden beri çalışılıyor. Çeşitli eski organik malzemelerden DNA elde etmeye ve analiz etmeye çalışıyor araştırmacılar. Ama bunun ne kadar eskiye gidebileceği biraz tartışmalıydı. DNA molekülü zincir şeklinde bir polimer. Zincir zamanla kırılıyor, yani ömrü var. Bu kırılmanın ne hızla gerçekleştiği ortama da bağlı. Örneğin ortam ne kadar sıcaksa kırılma o kadar hızlı yaşanıyor, ne kadar soğuksa o kadar yavaş. Dolayısıyla yakın zamana kadar 1 milyon yıl yaşında DNA elde edilebilir mi sorusu biraz tartışma konusuydu. 2010’larda Sibirya’da çok soğuk koşullarda korunmuş, 600.000-700.000 yaşında bir at örneğinden DNA elde edilmişti. Bu yeni çalışmayla 1 milyon yıl bariyerini aşmak ilginç oldu. Tabi bu çok istisnai, sürekli donmuş koşullarda yüz binlerce sene kalmış bir örnek. Bu kolay kolay karşılaşılan bir şey değil. İleride benzer donmuş malzemeden daha eski DNA da elde etmek mümkün olabilir ama örneğin 2 milyon yıla varacağımız biraz şüpheli.
Öte yandan bu elde edilen sonuçların diğer ilginç kısmı mamutlar ve türleşmeye dairdi.
Yeni türlerin ortaya çıkış süreci genelde şöyledir, başta tek olan bir soyun iki dalı, uzun süre izole kalırlar. Mesela bir deniz yükselip bir boğaz oluşunca iki yakada yaşayan gruplar izole kalır. Bu izole kaldıkları süre içinde aralarında genetik farklar birikir. Hem yeni mutasyonlar hem genetik sürüklenme, hem de doğal seçilim farklılaşmalarına yol açar. O kadar ki sonradan fiziksel izolasyonları sona erse de birbirlerine karışamaz duruma gelirler. Bu türleşmenin en yaygın karşılaşılan biçimidir.
Mamutlarda ise şöyle ilginç bir vaka yaşanmış gibi gözüküyor: Kuzey Amerika’da Colombia Mamutu isminde bir mamut türü olduğu biliniyordu. Bu mamut türü, Asya ve Avrupa mamutları olan bildiğimiz yünlü mamutlardan görüntüsü, yapısı ile biraz farklılaşmış. Ama yine baktığınızda mamut dersiniz. Bunların genetik verisini incelediğimizde bu türün genetiğinin bir yandan Asya mamutlarının bir soyuna, diğer yandan Asya mamutlarının başka bir soyuna yüzde elli, elli yakın olduğunu gördük. Bu da Colombia Mamutu’nun bu iki soyun karışmasından ortaya çıkmış olabileceğine işaret etti. Bu biyolojide çok karşılaştığımız bir durum değil. Popülasyon arası karışmalar sık yaşanıyor ama böyle iki grubun benzer oranlarda birbirine karışması çok da karşılaşılan bir durum değil. Bu açıdan ilginç oldu.
Bunun dışında mamutlara mahsus uzun tüylülük ya da soğuğa dayanıklılık gibi özelliklerin ta 1 milyon yıl öncesinde evrilmiş olduğuna dair bir miktar bilgi elde edebildik. Mamut biyolojisi ve evrimini biraz daha iyi anlamamızı kolaylaştırmış oldu bu toplanan veri ama tabii öğreneceğimiz daha epey şey var. Bu tip çalışmaların çoğalıp hızlanacağını tahmin edebiliriz. Türkiye’den de daha çok çalışma yapılması gerekiyor. Bunun yerli araştırma gruplarınca yürütülmesi çok güzel olur, bunun için çalışıyoruz.
