Tardigratların Kriptobiyoz Süreci

Yazan: Arş. Gör. Duygu Berdi, Sena Parlamış, Kaan Demirtaş

Düzenleyen: Ümit Sözbilir

Özet: Canlılar olumsuz çevre koşullarına rağmen hayatlarına devam edebilmek için çeşitli yöntemler geliştirmiştir. Bu hayatta kalma stratejileri arasında en dikkat çekici olanlardan biri olan kriptobiyoz sadece tardigratlarda değil bazı omurgasız canlı türlerinde de görülmektedir. Kriptobiyoz; kurumaya karşı gerçekleşen “anhidrobiyoz”, oksijensizliğe karşı gerçekleşen “anoksibiyoz”, donmaya karşı gerçekleşen “kriyobiyoz” ve yüksek miktardaki tuzluluğa karşı gerçekleşen “osmobiyoz” olmak üzere 4 farklı türde olur. Bu kriptobiyoz türleri farklı coğrafyalarda yaşayan tardigratların kötüleşen çevre koşullarıyla mücadele etmesinde büyük rol oynamaktadır.

Giriş

Yaşam, fiziksel ve kimyasal etkenlerin sınırladığı dar bir çerçeve içerisinde yer almaktadır ancak doğadaki bazı türler bu sınırlamaların ötesindeki koşullara uyum sağlayabilmiştir. Doğa, canlıların olumsuz çevre koşullarıyla başa çıkabilmesi için 2 temel strateji geliştirmiştir. Bu stratejilerin ilki fizyolojik adaptasyonlar geliştirerek canlının metabolizmasını aktif bir şekilde tutmaya devam etmesi iken ikincisi metabolizmasını baskılayarak durgun bir evreye geçmesidir.

Kriptobiyoz Nedir?

Canlının, metabolizma, büyüme, üreme ve yaşlanmasının geri döndürülebilir bir şekilde baskılayarak olumsuz çevre koşulları altında durgun bir evreye girmesi “kriptobiyoz” olarak adlandırılmaktadır. [1] [2] [3] Kriptobiyoz tanımı ilk kez Dr. David Keilin tarafından 1959 yılında yapılmıştır. Dr. Keilin kriptobiyozu “bir organizmanın görünür hiçbir yaşam belirtisi göstermediği ve metabolik aktivitesinin neredeyse ölçülemez hâle geldiği veya geri dönüşümlü bir şekilde durma noktasına geldiği durum” şeklinde ifade etmiş ve farklı olumsuz çevre koşullarında gerçekleşen 4 tipi olduğunu ortaya koymuştur. Bunlar; anoksibiyoz, (oksijen eksikliği) osmobiyoz, (yüksek miktarda tuz derişimi) anhidrobiyoz (dehidrasyon)¹ ve kriyobiyozdur (düşük sıcaklık veya donma). [1] [2] Kriptobiyoz tiplerinin hepsi sucul organizmaların oldukça değişken olan çevresel koşullara sahip karasal habitatlarda hayatta kalmasında büyük rol oynamaktadır [4]. Kriptobiyoz, sadece targiratlara özgü bir özellik değildir. Bu canlılar haricinde birçok tek hücreli organizmada; rotiferler (Rotifera, tekerleksi hayvanlar) ve nematodlar (Nematoda, yuvarlak solucanlar) gibi omurgasız canlılarda; kabuklular, (Crustacea) akarlar (Acarina) gibi çok hücreli hayvanların yumurtalarında ve bazı bitkilerin tohum ve spor yapılarında görülmektedir. [5]

Tardigratlar kriptobiyoz sırasında sudaki uzun süreli kuruma, ani sıcaklık ve pH değişimi, çözünmüş oksijen miktarında azalma veya yüksek basınç ve radyasyon gibi olumsuz çevre koşullarına karşı son derece dayanıklı bir duruma geçmektedir. [2] Karasal, yarı karasal ve sucul ortamlarda yaşayan tardigratları biyolojik strese sokan temel neden ortamdaki su miktarının azalmasıyla organizmayı çevreleyen su tabakasının kurumasıdır. Kuruma sırasında tardigratlar, hücre içi ve hücre dışındaki su miktarının %2-3 kadarını tutarak büyük kısmını kaybeder. Böylelikle vücut hacmini %85-90 oranında azaltarak kriptobiyotik “tun” formuna girer. Canlı, tun formunda kaldığı sürede herhangi bir yaşlanma göstermez ve olumsuz çevre koşulları düzeldiğinde tun formundan çıkar ve metabolik faaliyetlerini tekrar kazanarak aktif bir şekilde hayatına devam eder. Tun formuna girme yeteneği günümüzde yaşayan yarıkarasal tardigrat türlerinde mevcut olduğundan evrimsel süreçte korunmuş homolog² bir özelliktir. Evrimsel süreçte tun oluşumu nedeninin, denizel ortamdaki dış ozmotik basınç³ gibi çevresel faktörlerdeki dalgalanmalara karşı bir yanıt olarak geliştiği düşünülmektedir. Vücutlarını çevreleyen suyun kuruması sırasında yarı karasal türler 30 dakika içinde tun formuna geçer. Normal şartlarda tardigratların ömrü ortalama birkaç ay kadarken olumsuz çevre koşulları altında kriptobiyotik tun formuna girmeleri sayesinde ömürleri onlarca yıl olabilmektedir. Tardigratların kirptobiyoz yeteneğinin altında yatan mekanizmalar fizyoloji, biyokimya ve nanoteknoloji alanında çalışan araştırmacıların ilgisini çekmektedir. [1]

Kriptobiyoz Çeşitleri

Anhidrobiyoz

“Su yaşamın materyali ve matrisidir. Su olmadan yaşam olmaz.”
– Albert Szent-Györgyi⁴

Görünüşe bakılırsa tardigratlar anhidrobiyoz yeteneği ile bu ifadeyi çürütmektedir. Susuz yaşam anlamına gelen anhidrobiyoz “dehidrasyon toleransı” olarak da bilinmektedir. Bu yetenek denizlerde yaşayan Echiniscoides cinsi ve Arthrotardigrada takımı da dâhil olmak üzere bütün tardigrat soylarında mevcut olduğundan homoloji gösteren morfolojik ve davranışsal bir adaptasyon olduğunu göstermektedir. Tun formuna geçiş sürecinde boylamsal ara segmental kütikülün (longitudinal intersegmental cuticle) kasılması ve bacakların içe doğru katlanması (invajinasyon, invagination) gerçekleşmektedir. Anhidrobiyoz sırasında tardigratlar buharlaşma yüzeyini azaltmak için tun formuna geçerler. Bu durum, transpirasyon⁵ oranı ve kütikül geçirgenliğinin azalması ile ilişkili olmakla birlikte hücre içindeki lipit moleküllerinin rol oynadığı düşünülmektedir. Denizel bir tardigrat türü olan Echiniscoides sigismundi (M. Schultze, 1865) üzerinde yapılan bir çalışmada (sucul ortam dehidrasyon ile su kaybına neden olmadığı için) tun formuna geçişin dış basınca yönelik bir adaptasyon olduğu ortaya çıkmıştır. Dehidrasyon genellikle hücrelerde ciddi hasarlara hatta hücrenin ölümüne yol açmaktadır. Mevcut moleküler veriler tardigratların dehidrasyona olan direncinin genetik temelli mekanizmalarını aydınlatmıştır. Bunlar; oksidatif strese⁶ yanıt proteinleri, (süperoksit dizmutaz, glutatyon peroksidaz, glutatyon redüktaz, glutatyon transferaz ve katalaz) şaperonlar, (ısı şoku proteinleri) DNA onarım enzimleri, (DNA’nın homolog rekombinasyonunda görev alan rekombinazlar) su ve çözünmüş küçük moleküllerin taşınmasından sorumlu hücre zarındaki kanal proteinleri (akuaporinler) ve geç embriyogenezde⁷ bol miktarda bulunan proteinler (Late embryogenesis abundant proteins, LEA) gibi ökaryotik organizmalarda korunmuş mekanizmalarla birlikte tardigratlara özgü TDP (tardigrat düzensiz proteinler, tardigrade disordered proteins) ve DSUP (hasar baskılayıcı protein, damage supressor protein) gibi tardigratlara özgü gen ve protein yapılarıdır. [7] [8] [6]

Osmobiyoz

Osmobiyoz, yüksek miktardaki tuzluluğu tolere edebilmeyi sağlayan kriptobiyoz tipidir. Bu durum dış ortamdaki tuz derişiminin organizmanın bünyesinden daha fazla olduğu durumda ortaya çıkmaktadır. Yani osmobiyoz yüksek osmotik basınç altında ortaya çıkmaktadır. Nematotlar ve rotiferler gibi tardigratlarda da bu adaptasyon geçerli olsa bile çoğu türün tuzluluk toleransı yüksek olduğundan dolayı osmobiyoz onlar için tipik olarak gerekli değildir. [10] Anhidrobiyoz ve kriyobiyozu (bir sonraki başlıkta açıklanacaktır) tetikleyen mekanizmalar osmobiyozu da etkilendiğinden dolayı bunun diğer iki kriptobiyoz tipinin evrimsel olarak öncüsü olduğu düşünülmektedir. Buna rağmen osmobiyoz hakkında çok fazla bilgi bulunmamaktadır. Hatta bazı araştırmacılar tardigratların osmotik stres tolerasının, onların yüksek osmoregülasyon kabiliyetinden kaynaklandığını ileri sürüp osmobiyozun gerçek bir kiptobiyoz tipi olmadığını savunmaktadır. [1]

Kriyobiyoz

Kriyobiyoz, çevre sıcaklığı düştüğünde ve organizmanın hücrelerindeki su donduğunda oluşan bir kriptobiyoz tipidir. Çevre şartları bu yönde değiştiğinde tardigratlar, moleküler düzeyde hücresel aktivitelerini durdurarak hayatta kalmaktadır. Kriptobiyozda yaşlanma yavaşlamakta hatta durma noktasına gelmektedir. Anhidrobiyozdan farklı olarak tun formuna geçiş şart değildir ancak hücre içindeki suyun donmasının önlenmesi gerekmektedir. Tardigratlar, Arthropoda (eklembacaklılar) şubesinde yer alan birçok canlıdan farklı olarak donmaya karşı da oldukça dayanıklıdır. Bu dayanıklılığın temelinde hücre dışında yer alan buz çekirdeklenme proteinleri (ice-nucleating proteins) yer almaktadır. Bu proteinler suya karşı adeta bir mıknatıs gibi davranarak suyu hücreden dışarıya doğru çekmektedir. Bu durumda tardigratlar, susuz hâlde donarak -196 °C sıcaklıkta bile hayatta kalabilmektedir. Sømme ve Meier 1995 yılında yayımladıkları bir çalışmada Barbaria jenningsi, Mesobiotus furciger ve Diphascon chilenense⁸ donmuş durumda 8,3 yıl boyunca hayatta kaldığını bildirmiştir. Antarktika’da yaşayan bir tardigrat türü Acutuncus antarcticus üzerinde yapılan bir çalışmada ise 30,5 yıldır donuk olan canlı bireyler elde edilmiştir. Kısacası kriyobiyoz, Kuzey Kutbu ve Antarktika’da yaşayan tardigrat türlerinin hızla donma ve çözülme döngüleri sırasında hayatta kalmasını sağlamaktadır. [6] [11] [12]

Anoksibiyoz

Anoksibiyoz tardigratların çözünmüş oksijen derişiminin düşük olduğu suda hayatta kalmasını sağlayan kriptobiyoz tipidir. Tardigratlar düşük oksijen derişimine karşı oldukça hassastır. Uzun süreli düşük oksijen derişimine maruz kalan tardigratların osmoregülasyonunda⁹ bozukluklar ortaya çıkmaktadır. Anoksibiyoz birçok türde ortalama olarak birkaç saat veya birkaç gün boyunca sürmektedir. Bu sürede tardigratlar, olumsuz çevre koşullarına karşı hareketsiz, şeffaf ve sert bir hâle gelmektedir. Bu süreç ardından çözünmüş oksijen miktarı optimum seviyeye çıkmazsa canlı hayatını kaybeder. Osmotik kontrolün kaybından dolayı su emilimi azalmakta ve dolayısıyla vücut uzamaktadır. Anoksibiyozda tardigratlar tun formuna geçmediğinden dolayı gerçek anlamda bir kriptobiyoz tipi olarak değerlendirilmemektedir. Sudaki çözünmüş oksijen derişiminin azlığı, osmozun¹⁰ kontrol edilememesiyle sonuçlanmakta ve hücrelere fazla miktarda su girişine neden olmaktadır. Anoksiyozdan çıkış dormant evrenin süresi ile ilişkilidir. Bazı araştırmacılar bu sürenin 3-4gün ile kısıtlı olduğunu belirtirken Echiniscoides sp. cinsi ile yapılan bir çalışma, bu cinsin anoksibiyozda 6 ay kadar hayatta kaldığını göstermiştir. Anoksibiyoz karasal, yarı karasal ve denizel tardigratlarda yaygın bir şekilde görülmektedir. [6] [13] Kısacası, tardigratların olumsuz çevre şartları altında nasıl hayatta kaldıklarından bahsetmiş olduk. Tardigratlar ile yapılan radyasyon çalışmalı ve bizim çalışmalarımızdan bahsedeceğimiz bir sonraki yazıya kadar sağlıcakla kalın.

¹ Bu cümlede ortamdaki su miktarının azalmasını tanımlamaktadır.

² Ortak bir evrimsel kökene sahip olma durumudur.

³ Su moleküllerinin hücre zarından geçişini durdurmak için gerekli minimum basınç.

⁴ 16 Eylül 1893-22 Ekim 1986 tarihleri arasında yaşamış ve 1937’de Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü kazanmış Macar fizyolog ve biyokimyager.

⁵ Terleme.

⁶ Oksidatif stres, hücrelerde ve dokularda reaktif oksijen türlerinin (ROS) üretimi ve birikimi ile canlının bu reaktif ürünleri detoksifiye etme yeteneği arasındaki dengesizliğin neden olduğu bir olgudur.

⁷ Döllenme ile canlının doğumu ya da yumurtadan çıkması arasında kalan süreçtir.

⁸ Burada belirtilen 3 türün de cins isimleri zaman içinde yeniden düzenlenmiş olup güncel literatürdeki hâliyle verilmiştir. Yapılan çalışmada belirtilen cins isimleri farklılık göstermektedir.

⁹ Dokularda ve vücut sıvılarında su ve tuz miktarının optimum sıcaklığını düzenleyerek homeostasi (kararlı iç denge) devamlılığının sağlanmasıdır.

¹⁰ Suyun çok yoğun ortamdan az yoğun ortama hücre zarından enerji harcanmadan geçmesidir.