BİYOLOJİK NANOMAKİNE: BAKTERİ KAMÇISI

Prof. Dr. Selahattin SERT, Uzm. Mehmet YÜKSEL
1 Atatürk Üniv., Ziraat Fak,, Gıda Mühendisliği Bölümü, (Emekli) Erzurum
2 Atatürk Üniv., Hınıs Meslek Yüksekokulu, Gıda İşleme Bölümü, Erzurum
[email protected]       

     Çıplak gözle göremediğimiz ancak, mikroskopta yüzlerce veya binlerce defa büyüttükten sonra görülebilen canlılara "mikroorganizma" veya kısaca "mikrop" denilmektedir. Mikroorganizmaların görülebilmesi, Hollanda'lı Leeuwen Hoek'un 1674'de yapılan mikroskopla mümkün olmuştur. Bu araştırmacı, miskoskopla mikroorganizmaları görmüş, şekillerini çizmiş ve bunların hepsine birden küçük hayvancıklar anlamına gelen "animalcules" ismini vermiştir. Ancak, bu tarihten yaklaşık yedi yüzyıl önce büyük İslam bilgini İbn-i Sina (980-1037), "Her hastalığı yapan bir kurtçuktur, ne yazık ki elimizde onu görecek bir alet yoktur. Temizlik bu gibi kurtçuklardan ileri gelen hastalıkların önünü alır" sözleriyle mikroorganizmalara işaret etmiştir[1].

     Yine bu tarihlerde, canlıların cansız maddelerin bozulmasıyla ‘’kendiliğinden veya tesadüfen’’ meydana geldiği fikrine (abiyogenesis teorisi) yani; "spontan generasyon teorisi" ne karşı "biyogenesis teorisi" ileri sürülmeye başlanmıştır. Bu konu üzerinde bilimsel tartışmalar uzun süre devam etmiş, nihayetinde 1861 yılında Pasteur yaptığı deneylerle bu kendiliğinden meydana geliş teorisini yıkmıştır[2].

     Bakteriler genellikle tabiatta hemen her yerde bulunurlar. Bakterilerin bir kısmı zararlıdır. İnsan ve hayvanlarda hastalık yapmakta, bitkilerde ürün kaybına yol açmaktadırlar. Ancak, bakterilerin faydaları zararlarından daha fazladır. Çünkü; bakteriler organik maddelerin parçalanarak tekrar toprağa dönüştürülmesinde ve bitkilerin istifadesine sunulmasında önemli bir role sahiptirler. Şayet bakterilere, bitki ve hayvan cesetlerini parçalama görevi verilmesiydi, yeryüzü metrelerce kalınlıkta ölü hayvan ve bitki kalıntılarıyla kaplanacak ve belki de hayat sona erecekti. Buradan, bakterilere hayatın sürekliliğinde çok önemli bir görev verildiği anlaşılmaktadır. Ayrıca; gıda ve yem sanayinde bakterilerden geniş ölçüde istifade edilir. Mesela; sütün yoğurda dönüştürülmesi, peynir, sirke ve turşu üretimi bakteriler sayesinde gerçekleşir. Zeytinin yenilebilecek bir duruma getirilmesinde de bakterilerin rolü vardır. Bazı gıda katkı ve koruyucu maddelerinin üretiminde, taze yemlerin silaj yapılmak suretiyle uzun süre bozulmadan muhafazasında bakteriler rol oynar[3].

     Bakteriler boyut olarak (0.2-20 mikrometre) küçük olmasına rağmen, kompleks bir yapı gösterir. Bu karmaşık yapılardan bir tanesi de bazı bakterilerin hareketliliğini sağlayan kamçı denilen organeldir. Kamçı temelde bakterinin gerekli besin, oksijen ve ışık gibi ihtiyaçlarına yönelimini ve toksik maddelerden uzaklaşmasını sağlar. Bu yazıda kamçının mükemmel yapısı ve işleyişi ele alınıp; indirgenemez komplekslikle izah edilen mekanizmasının yaratılış mucizesine ne denli bir delil olduğundan bahsedilecektir.

     Bakteri Kamçısının Yapısı ve Hareket Mekanizması

     Evrimciler, canlılığın tesadüfler sonucunda meydana gelen ilkel bir bakteriden oluştuğunu öne sürerler. Ancak son yıllarda bakterilerin kompleks yapılarının anlaşılması ile bu iddiaları kesin olarak çürütülmüştür. Bu yapılardan birisi de kamçıdır.

     Bakterilerin kamçısı uzun zamandır bilinmektedir. Ancak son zamanlardaki gözlemler, kamçının detaylı yapısını ortaya çıkarmış ve bilim dünyasını hayrete düşürmüştür. Çünkü; kamçının önceden sanıldığı gibi basit bir titreşim mekanizmasıyla değil, çok karmaşık bir "biyolojik moleküler motor" ile çalıştığı ortaya çıkarılmıştır[4].

     Kamçılar, 3-20 µm uzunluğunda ince, dalgalı iplikçiklerdir. Kimyasal yapısı "flagellin" denilen proteindir. Elektron mikroskopta spiral şeklinde görülürler. Kamçı; flament, çengel ve bazal cisimden oluşmuştur (Şekil 1). Bakterilerde hareket, çengelin bazal cisimden aldığı hareketi flamente aktarmasıyla olur.  Flament de çark gibi bir dönme hareketi yaparak bakteriyi öne doğru ilerletir.

          Şekil 1. Bakteri kamçısının genel yapısı[5].

     Kamçıyı oluşturan yaklaşık 250 parça; 25 farklı proteinden yapılmıştır. Kamçı flamenti yaklaşık 30.000 protein ünitesinden meydana getirilmiş ve kusursuz bir mekanik tasarımla yerlerine yerleştirilmiştir[6].

     Bilim adamları, kamçıyı oluşturan bu proteinlerin motoru kapatıp açacak sinyalleri gönderdiklerini, atom boyutunda hareket imkânı sağladıklarını ve kamçıyı stoplazmik zara bağlayan proteinleri harekete geçirdiklerini tespit etmişlerdir. Motorun işleyişini basitleştirerek izah etmek maksadıyla yapılan model sistemler bile kamçının karmaşıklığının anlaşılması için yetersiz kalmıştır (Şekil 2).

     Şekil 2. Bakteriyel kamçının motoru için model mekanizma[7].

     Diğer moleküler motorların enerji ihtiyaçları ATP hidrolizi ile sağlanırken,  flagellar motorun enerjisi ATP teşvikiyle doğrudan plazma membranı üzerinden protonmotif kuvvet (Protonmotive force, PMF) olarak adlandırılan mekanizma ile karşılanır. Bu mekanizmada H+ veya Na+ protonlarının elektrokimyasal yönelimi söz konusudur. PMF temelde metabolik bir süreçtir. Bu süreç içerisinde proton pompaları görev alır[8]. Ancak, kimyasal ve mekanik sistemler vasıtasıyla gerçekleşen bu hareketin mekanizması henüz tam olarak anlaşılamamıştır[9].

     Bakteriyel kamçının yapısının ve işleyişinin en iyi anlaşıldığı iki bakteri Escherichia coli ve Salmonella enterica typhimurium’dur. Bu bakteriler üzerinde yapılan çalışmalarda flagellar motorun teşkilinde ve kontrolünde yaklaşık 50 genin görev aldığı tespit edilmiştir. Bu genlerden yaklaşık bir düzinesi kamçının kimyasal yapısından, 17 tanesi ise fiziksel yapısından, geri kalanı ise kamçının hareket koordinasyonundan sorumludur[10].

     Mükemmel bir biyolojik motor olan bakteri kamçısı, saniyede birkaç yüzden 1.000 devire kadar dönme hareketi yapar. Bu hareket iki yönlüdür. Mesela; E. coli bakterisinde saat yönünün tersine yapılan hareket bakteriyi ileri doğru iter, saat yönündeki hareket ise bakteriye takla attırarak yönünü değiştirir. Böylece bakteri hem yer değiştirme hem de yönelim şeklinde hareket kabiliyeti kazanmaktadır[11].

     Bazı bakteriler sıvı ortamda saniyede 100 μm hızla yer değiştirebilirler. Yani, 2 μm uzunluğunda bir bakteri dakikada kendi boyunun 3000 misli bir mesafeyi kat eder. Hâlbuki en süratli koşan hayvanlardan biri olan çita bile, dakikada vücut uzunluğunun sadece 1500 misli kadar yol alabilir[12].

     3. Sonuç

     En küçük yapay bir motordan milyonlarca kat küçük olan kamçı motoru hiçbir şekilde basite indirgenemeyecek bir yapıda yaratılmıştır. Bu basite indirgenememezlik son zamanlarda ‘‘indirgenemez komplekslik’’ ile izah edilmektedir. Yani; kamçıyı teşkil eden parçalardan bir tanesi bile eksik veya kusurlu olsa, kamçı çalışamaz ve dolayısıyla bakteriye herhangi bir fayda sağlamaz. Olağanüstü mükemmel bir nanomakine şeklinde yaratılan bakteri kamçısı ve kusursuz işletilen bu moleküler motorun mekanizması yaratılışın sadece küçük bir örneğidir.

[1] Sert, S. (2011). Genel mikrobiyoloji. Atatürk Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Yayınları. Erzurum.
[2] Sert, S. a. g. e.
[3] Sert, S. a. g. e.
[4] Erhardt, M., Namba, K., & Hughes, K. T. (2010). Bacterial nanomachines: the flagellum and type III injectisome. Cold Spring Harbor perspectives in biology, 2(11), a000299
[5] Belas, R. (2014). Biofilms, flagella, and mechanosensing of surfaces by bacteria. Trends in microbiology, 22(9), 517-527.
[6] Vonderviszt, F., & Namba, K. (2013). Structure, function and assembly of flagellar axial proteins.
[7] Berry, R. M. (2005). Bacterialflagella: flagellar motor. eLS.
[8] Berry, R. M. a.g.e.
[9] Çakmakçı, M. L., Karahan, A. G., Çakır, İ., 2008. Mikrobiyoloji. Bizim Büro Basımevi, Ankara. 227 s.
[10] Coulton JW and Murray RGE (1978) Cell envelope associations of Aquaspirillum serpens flagella. Journal of Bacteriology 136: 1037–1049.
[11] Manson, M. D. (2010). Dynamic motors for bacterial flagella. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(25), 11151-11152.
[12] Sert, S. a.g.e.