DNA Çift Sarmalı

Isınan küvet

Çarşamba; şubatın son haftası. Karabük'teki laboratuvarda sis bu sabah erken kalkmış, pencereden fabrika bacalarının ardındaki tepeler görünüyor. Aybars pazartesi çubuğa sardığı soğan DNA'sını tamponda çözmüş, spektrofotometrenin ısıtmalı küvet yuvasına yerleştirmiş. Cihaz sıcaklığı dakikada bir derece yükseltiyor ve her adımda 260 nanometredeki soğurmayı kaydediyor.

Ekrandaki çizgi uzun süre düz gidiyor: 0,42 civarında, pazartesiki değer. Seksenin üstünde birden kalkıyor, birkaç derece içinde 0,55'e tırmanıp orada yeniden düzleşiyor. Yan kanalda mikrobiyoloji laboratuvarından ödünç alınmış bir bakteri DNA'sı aynı yolu izliyor, ama basamağı daha sıcakta çıkıyor. Aybars iki basamağın ortasını işaretliyor: soğanda 85,6, bakteride 93,8 derece.

Ruhsar Hanım'ın masasında başka bir şey var: bir bilim tarihi kitabından açılmış bir sayfa ve kâğıttan kesilip bir kalemin çevresine sarılmış iki uzun şerit. "Isıtınca ışığı daha çok yutuyor," diyor Aybars. "İçinde açılan bir şey var. Ne açılıyor, neden bakteride daha geç?"

Çarşambanın yolu

Sarmalın ölçülerini hesaplayıp onu neyin bir arada tuttuğunu, yüzeyindeki iki oluğu ve DNA'nın başka biçimlerini tartacağız. Sonra bir kırınım fotoğrafından bu ölçülerin nasıl okunduğuna ve 1953'e uzanan öyküye geçecek, en sonda ekrandaki basamağa döneceğiz.

Metin

Merdivenin büküldüğü yer

OpenStax'in kitabı sarmalı bir merdivene benzetir: şeker ve fosfat omurgayı dışta kurar, bazlar içte basamaklar gibi üst üste dizilir. İki zincir aynı eksen çevresinde sağa doğru döner; vida gibi, saat yönünde çevrildikçe ilerler. Kromatin Organizasyonu dersinde basamaklar arasındaki 0,34 nanometrelik aralığı ve yaklaşık iki nanometrelik kalınlığı kullanmıştık. Kitap aynı ölçülere bir tur uzunluğu ekler: 3,4 nanometre. Buradan bir turda on baz çifti çıkar.

Bu "on", kurutulup çekilmiş liflerde ölçülen değerdir. James Wang 1979'da halka biçimli DNA moleküllerini jelde karşılaştırarak çözeltideki tekrarın fizyolojik koşulda 10,4 baz çifti olduğunu buldu ve bunun lif değerinden anlamlı biçimde ayrıldığını yazdı. Ansiklopedinin çift sarmal maddesi çözelti için 10,4 ile 10,5 arasını verir. Fark küçük görünür ama adımı değiştirir: 10,5 × 0,34 ≈ 3,57 nanometre, 10,4 × 0,34 ≈ 3,54 nanometre. Kromatin dersindeki 6,2 milyar baz çiftine uygulayınca 6,2 × 10⁹ ÷ 10,5 ≈ 5,9 × 10⁸ tur eder.

Kitap çapın bütün boyunca aynı kaldığını da vurgular ve bunu her basamakta iki halkalı bir bazın tek halkalı bir bazla eşleşmesine ve iki zincirin ters yönde uzanmasına bağlar. Bu iki koşulun neden zorunlu olduğunu bir sonraki ders açacak.

Basamakları tutan ne?

Hidrojen Bağı dersinde Watson ile Crick'in 1953 modeline ve iki çiftin bağ sayısındaki farka değinmiş, G–C bakımından zengin bölgelerin daha geç ayrılmasını yalnız bu farka yüklememek gerektiğini de not etmiştik.

Yakovchuk, Protozanova ve Frank-Kamenetskii 2006'da bir zincirinde tek bir kesik bulunan DNA molekülleriyle iki katkıyı ayırmayı denedi. Ekip, inceledikleri bütün sıcaklık ve tuz koşullarında kararlılığı asıl sağlayanın istiflenme olduğunu, adenin–timin eşleşmesinin tek başına kararlılığı biraz azalttığını, guanin–sitozin eşleşmesinin ise hemen hiç katkı vermediğini yazdı. Privalov ile Crane-Robinson'ın 2020 tarihli kalorimetri çalışması payları farklı böler: eşleşme ile istiflenme kararlılık enerjisinin kabaca yarısını paylaşır, ama erime sırasında emilen ısının tamamı istiflenmiş çiftlerin birbirinden ayrılmasından gelir. İki ekip oranlarda anlaşmaz; hidrojen bağlarının sarmalı tek başına taşımadığında anlaşır. Wikipedia'nın DNA ve GC içeriği maddeleri de çift zinciri büyük ölçüde istiflenmenin tuttuğunu yazar.

İki yiv, iki genişlik

Kalemin çevresindeki şeritlerin arasında eşit olmayan iki boşluk kalır. Wikipedia'nın DNA maddesine göre iki zincir birbirinin tam karşısında durmadığı için yüzeyde iki yiv oluşur: büyük oluk yaklaşık 2,2, küçük oluk 1,2 nanometre genişliğindedir. Sayılar genişliğin nereden nereye ölçüldüğüne göre değişir; Rohs ekibinin 2009 makalesi küçük oluğu fosfatlar arası başka bir ölçüyle çok daha dar verir. Değişmeyen, büyük oluğun daha geniş olmasıdır.

Oluk genişliği bir protein için fark eder. OpenStax olukları DNA'ya bağlanan proteinlerin bağlanma yerleri diye tanıtır. Rohs ekibi her baz çiftinin büyük olukta kendine özgü bir verici–alıcı deseni sergilediğini, küçük olukta bu ayrımın kaybolduğunu yazar. Bir protein sarmalı açmadan, dışarıdan dokunarak hangi diziye oturduğunu büyük oluktan okuyabilir. Aynı ekip küçük oluğun adenin–timin zengin bölgelerde daralmasının da bazı proteinlerce tanındığını gösterdi. Bu okuma Transkripsiyon Faktörleri dersinde ayrıntısıyla açılacak.

Tek bir biçim yok

Wikipedia'nın A-DNA maddesine göre A ve B adlarını Rosalind Franklin koydu. Attar'ın 2013'te Genome Biology'de yayımlanan söyleşisi, iki biçimin örneğin nemine göre değiştiğini, düşük nemde A, yüksek nemde B elde edildiğini ve B'nin canlıdaki biçim sayıldığını aktarır. A biçimi de sağ ellidir, ama daha kısa ve geniştir; baz çiftleri eksene dik durmaz. Wikipedia'nın maddeleri bu biçimin çift zincirli RNA'da ve DNA–RNA melezlerinde görüldüğünü yazar.

Z biçimi ters yöne döner. Krall ve arkadaşlarının 2023 derlemesi, 1979'da atom ölçeğinde çözülen ilk DNA parçası yapısının beklenmedik biçimde sol elli bir çift sarmal çıktığını anlatır: iki zincir yine ters yönlüdür, bazlar yine eşleşmiştir, ama omurga zikzak çizer ve adı buradan gelir. Derlemeye göre bir turda on iki baz bulunur ve sitozin–guanin tekrarı bu biçime çok yüksek tuzda geçerken, sitozinleri metillenmiş tekrar çok daha düşük tuzda geçer. Wikipedia'nın Z-DNA maddesi de onu sola dönen bir sarmal diye tarif eder. Kromatin dersindeki sol elli dolanmayla karıştırılmamalı: orada sağ elli sarmalın kendisi bir histon çekirdeğinin çevresine sola doğru sarılıyordu.

Bir fotoğraftan sayı okumak

Ruhsar Hanım kitaptaki görüntüyü Aybars'a sözle anlatıyor: ortada çapraz duran koyu lekelerden kurulu bir X, X'in kollarında yatay sıralar hâlinde dizilmiş benekler, üstte ve altta iki kalın yay. Wikipedia'nın Fotoğraf 51 maddesine göre görüntü Franklin'in yanında çalışan doktora öğrencisi Raymond Gosling tarafından 2 Mayıs 1952'de King's College London'da çekildi ve DNA'nın B biçimine aitti; Attar'ın söyleşisi de onu B biçiminin o güne dek alınmış en iyi kırınım deseni diye anar.

Amiloid liflerine baktığımız derste bir kırınım deseninin 4,7 ångströmlük çizgisinden zincirler arası uzaklığı okumuştuk. Aynı mantık burada iki ölçek verir. Latychevskaia ile Fink'in 2018 çözümlemesi X biçiminin sarmal bir yapıyı ele verdiğini, yatay benek sıraları, yani katman çizgileri arasındaki aralığın sarmalın bir tam dönüşüne, 34 ångströme karşılık geldiğini yazar. Üstteki ve alttaki kalın yansımalar ise üst üste dizilmiş bazlardan gelir ve 3,4 ångströmü verir. Oran: 34 ÷ 3,4 = 10. Bir dönüşe on basamak; OpenStax'in lif değeriyle aynı sayı. Aynı çözümleme bir eksikliğe de dikkat çeker: dördüncü katman çizgisinin beklendiği yerde benek yoktur. Yazarlara göre bu sönme, eksen boyunca birbirinden kaydırılmış ikinci bir sarmalın dalgalarının ilkini söndürmesinden doğar ve yapıda iki zincir bulunduğunu gösterir.

Masaya gelen veriler

Attar'ın söyleşisi Watson ile Crick'in 25 Nisan 1953'te Nature'da çıkan kısa makalesinin kendi deney verisi taşımadığını, modelin King's College'da elde edilmiş kırınım verisine dayandığını vurgular; Franklin ile Gosling'in ve Wilkins ile arkadaşlarının makaleleri aynı sayıda yayımlandı. OpenStax da ikilinin modeli Franklin'in verisinden kurabildiğini, çünkü Crick'in kırınım üzerinde çalışmış olduğunu yazar. Wikipedia'nın maddeleri, Fotoğraf 51'in Watson'a Wilkins tarafından, Franklin'in haberi olmadan gösterildiğini kaydeder; Attar'ın ifadesiyle veriler ikiliye tümüyle temiz yollardan ulaşmamıştı.

NobelPrize.org'a göre 1962'nin fizyoloji ve tıp Nobel'i Crick, Watson ve Wilkins'e, nükleik asitlerin moleküler yapısı ve bu yapının canlı maddede bilgi aktarımındaki önemi üzerine buluşları için ortaklaşa verildi. Franklin 1958'de, otuz yedi yaşında ölmüştü; bunu Attar'ın söyleşisi ve Wikipedia'nın Franklin maddesi aynı biçimde yazar. OpenStax ve Wikipedia'nın DNA maddesi ödülün yalnız yaşayan kişilere verildiğini not eder.

Isıyla açılan sarmal

Aybars'ın basamağına dönelim. Proteinlerin zayıf etkileşimlerini işlediğimiz derste denatürasyonu bir proteinin katlanmış yapısını yitirmesi diye tanımlamıştık; DNA'da karşılığı iki zincirin birbirinden ayrılmasıdır. OpenStax yüksek sıcaklığın iki zinciri ayırdığını, soğutmanın onları yeniden birleştirebildiğini yazar. Wikipedia'nın hiperkromisite maddesine ve Blevins ekibinin 2026'da ACS Omega'da yayımladığı ölçüm çalışmasına göre ayrılan zincirlerde bazlar istiften çıkar ve aynı derişimde ışığı daha çok soğurur. Pazartesi 260 nanometredeki tepeyi bazların halkalarına bağlamıştık; çarşamba aynı halkalar istiften kurtulunca tepe yükseliyor.

Zar Akışkanlığı dersinde aynı kısaltmayı lipit çift tabakasının jelden akışkana geçtiği sıcaklık için kullanmıştık; harfler aynı, olay başka. Wikipedia'nın DNA maddesi, Blevins ekibi ve Privalov ile Crane-Robinson, guanin–sitozin oranı arttıkça erime sıcaklığının yükseldiğini yazar. Marmur ile Doty'nin 1962'de uzun DNA'lar için belirli bir tuz koşulunda kurduğu doğrusal bağıntıda, von Ahsen ekibinin 2001 tarihli karşılaştırmasının ve Biopython'un erime sıcaklığı belgesinin aktardığı biçimde, her yüzde birlik guanin–sitozin artışı erime sıcaklığını yaklaşık 0,41 derece yükseltir.

Aybars'ın iki eğrisi bu bağıntıyla okunabilir: 93,8 − 85,6 = 8,2 derece ve 8,2 ÷ 0,41 = 20. Bakteri DNA'sı soğanınkinden yaklaşık yirmi yüzde puanı daha çok guanin–sitozin taşıyor olmalı. Bağıntının sabit terimi tuza göre değiştiği için yalnız fark kullanıldı. Altı yüz milyon dönüşün hücre bölünmeden önce nasıl çözüldüğü DNA Replikasyonu modülünün Helikaz ve Replikasyon Çatalı dersinde ele alınacak.

Çarşamba akşamı

Aybars küvetleri soğumaya bırakıyor; soğan DNA'sının soğurması yavaşça iniyor, ama bir saat sonra bile 0,42'ye dönmüyor. Ruhsar Hanım kalemin çevresindeki şeritlerden birini çekip öbürünü yerinde bırakıyor ve şeridin ucundaki küçük oku gösteriyor: "Bu şeridin bir yönü var. Öteki ters yönde sarılmış. Cuma neden böyle durmak zorunda olduklarına ve kimin kiminle eşleştiğine bakacağız."

Aybars defterine bir sarmal çiziyor, büyük ve küçük oluğu farklı renklerle tarıyor. Altına üç satır yazıyor: "34 ÷ 3,4 = 10, çözeltide 10,4–10,5", "6,2 × 10⁹ ÷ 10,5 ≈ 5,9 × 10⁸ tur", "8,2 ÷ 0,41 ≈ 20".

Kendini sına

1. Bir çift sarmal parçası 21 baz çifti uzunluğunda. Kaç nanometredir ve çözeltide kaç tam dönüş yapar? Lif değeriyle hesaplasaydın sonuç nasıl değişirdi?
2. Bir arkadaşın "G–C çiftinde üç hidrojen bağı var, kararlılık farkı bundan gelir" diyor. Bu derste gördüğün iki ölçüm çalışmasına dayanarak cevabını kur.
3. Bir protein sarmalı açmadan belirli bir diziyi tanıyabiliyor. Bunu büyük oluk üzerinden nasıl yaptığını açıkla; küçük oluk neden aynı bilgiyi vermez?
4. Bir kırınım deseninde katman çizgileri arasındaki aralık 36 ångströmlük bir dönüşe, kalın yansımalar 3,4 ångströme karşılık gelseydi bir dönüşe kaç basamak düşerdi? Dördüncü katman çizgisinin eksikliği neyi göstermişti?
5. İki DNA örneğinin erime sıcaklıkları 78,0 ve 86,2 derece. Guanin–sitozin oranları arasındaki fark yaklaşık ne kadardır ve bu hesap neden yalnız aynı tuz koşulunda ölçülmüş örneklerde anlamlıdır?

Bir sonraki derse köprü

Sarmalın nasıl büküldüğü artık belli; iki şeridin neden ters yönde durduğu ise açık kaldı. Sıradaki ders, Antiparalellik ve Baz Eşleşmesi, tam bunu soracak: bir zincir 5' ucundan 3' ucuna giderken karşısındaki neden 3'ten 5'e uzanır? Adeninin timinle, guaninin sitozinle eşleşmesi ve bir zincirin dizisinden öbürünün okunabilmesi, yani tamamlayıcılık, bu düzenden nasıl çıkar? Farklı canlıların DNA'sında baz oranları ölçüldüğünde adenin ile timinin, guanin ile sitozinin miktarları arasında hangi eşitlik bulunmuştu, ve Chargaff kuralları denen bu gözlem modele nasıl girdi?