“1953 yılında Stanley Miller, ilkel dünya koşulları altında aminoasit sentezi ile ilgili yüksek başarıya ulaştığı deneyi ile ilgili ilk raporunu yayımladı. Bu ünlü deney ve sonuçları ile ilgili çok şey söylendi ve yazıldı çünkü bu deney, hayatın oluşumuyla ilgili laboratuvar çalışmalarının önünü açtı. Bültende Stanley’nin diğer önemli katkılarına da yer verilecektir ama bana verilen bu fırsatı kullanarak kendisine olan kişisel takdirlerimi ve saygılarımı sunmak isterim.
Stanley Miller ile ilk kez Fransa’daki bir Pont-a-Mousson toplantısında tanıştım. Konuşmamı bitirdikten sonra Stanley yanıma gelerek bana, konuşmamı çok mantıklı ve akla yatkın bulduğunu söyleyerek meslek hayatımın en değerli iltifatlarından birini yaptı. İlerleyen yıllarda Stanley ile pek çok kez daha konuşma fırsatım oldu ve onun bu alandaki bilgisini ansiklopedik denecek kadar geniş, yeni çalışmalara dair yüksek algıdaki değerlendirmesini olağanüstü zekice ve başkalarına karşı sergilediği dostane teşviği çok etkileyici buldum. O, kendi mütevazi ve tatlı dilli üslubuyla alanımıza damgasını vurmuştur.“
– Alan W. Schwartz (Online yayım: 2007)
STANLEY MILLER DENEYi – 1953
Prebiyotik kimya çalışmaları 50 yıl önce Science dergisinde yayımlanan bir makaleyle başladı. Bu makale, ilkel dünya atmosferini taklit eden indirgenmiş gazlardan meydana gelmiş karışımın ortamda bulundurulması halinde, aminoasit ve başka bileşiklerin sentezinin mümkün olduğunu söylüyordu. Bu çığır açıcı yayımın yıldönümünde, onun ortaya çıkmasında rol oynayan olayları anlatıp aynı zamanda bilim dünyasında bir mihenk taşı olan Miller deneyine katkıda bulunan sürecin tarihi yönlerini da tartışacağız.
50 yıl önce Science dergisinin 15 Mayıs 1953 tarihli sayısında, A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions (Olası İlkel Dünya Koşullarında Aminoasit Sentezi) isimli iki sayfalık kısa bir makale yayımlandı. Makalenin yazarı olan Stanley L. Miller, o zamanlar ilkel dünya atmosferinin bir modeli olarak kabul edilen indirgeyici gazlardan (CH4, NH3, H2O, ve H2) meydana gelen bir karışıma uygulanan elektriksel reşarjın şaşırtıcı sonuçlarına değiniyordu. Bu deneyin sonunda ortaya çıkan ürünler, önemli miktarda aminoasitle beraber hidroksi asitler, kısa alifatik asitler ve üre idi. Deneyin şaşırtıcı sonuçlarından biri ise şuydu: Ortaya çıkan ürün, organik bileşiklerin gelişigüzel miktarlardaki bir karışımı değildi; aksine az çeşitte organik bileşiğin çok yüksek miktarlarda sentezlenmesinden meydana gelmişti. Dahası, birkaç istisna haricinde, bu bileşikler biyokimyasal öneme sahipti, ki bu da 1920’lerde Oparin ve Haldane tarafından ortaya atılan heterotrofik çorba teorisini destekleyen bir veriydi. Bu önemli deneyle, canlılığın ortaya çıkışına yönelik araştırmalar için yepyeni ve modern bir çağ başlamış oluyordu. Böylesi indirgeyici bir atmosferdeki elektriksel aktivitenin, bazı temel moleküllerin sentezini tetikleyebildiği ilk kez 1953’teki Miller-Urey deneyiyle gösterildi.
Daha sonra, Juan Oro‘nun 1959-1962 yılları arasında DNA’nın yapısındaki 4 nükleobazdan birisi olan Adenin’i aynı şekilde laboratuvar ortamında kopyalaması, yaşamın kökenini anlama çabalarımızda önemli bir dönüm noktası oldu. Oro’nun hayatındaki en büyük bilimsel başarılardan biri olan bu çalışmada, hidrosiyanik asit (HCN) ve amonyak kullanılmış ve adenin sentezlenmişti. Bu çalışma, Miller-Urey deneyiyle birlikte prebiyotik kimyanın en önemli keşiflerinden birisidir.
Makalenin yayımlanma sürecinin hikayesi:
Her ne kadar ilkel çorba teorisi biyologlar arasında büyük bir ilgi uyandırmış olsa da, diğer bilim dallarında fazla ciddiye alınmamıştı. Oparin, öngörülerini desteklemek için; yaşam formlarının yokluğunda organik bileşiklerin sentezlenebilir olduğunu göstermek zorundaydı. Oparin ilkel ortamın simülasyonunu içeren bir deney yapmadıysa da, o zamanlar bilimin elindeki pekçok önemli veri (anaerob fermentasyonun evrenselliği ve meteorlardaki dünyadışı organik bileşiklerin varlığı dahil olmak üzere), Oparin’in “canlılığın heterotrofik gelişimini” savunan iddiasını desteklemekteydi (Oparin, 1938).
İlkel dünya koşullarında organik madde sentezini araştırmaya yönelik bir çalışma 1950de California Üniversitesi’nden Melvin Calvin ve ekibi tarafından başlatıldı. CO2, H2O, H2 ve 40-meV Helium iyonu içeren Fe2+ solüsyonunu ışınlayarak, terrestrial kabuktaki radyasyonlu ortamı taklit eden bir ortam yarattılar (Garrison ve diğerleri, 1951). Ancak çıkan sonuçlar pek de cesaretlendirici değildi; sadece az miktarda formik asit ve formaldehid oluştu ki bu sonuç 1920’lerde pek çok araştırmacı tarafından elde edilen sonuçlardan farklı değildi.
Güneş Sistemi’nin oluşumu ve bu sürecin kimyasal olayları ile ilgilenen Harold C. Urey, daha sonra hayatın oluşumuna dair iddialarını yüksek oranda indirgeyici dünya atmosferine dayandırarak oluşturdu. Urey görüşlerini ilk kez 1951 yılında Chicago Üniversitesinde verdiği bir derste açıkladı ve sonraki sene de, dünyanın ilkel atmosferini anlatan bir makale yayımladı (Urey, 1952). O zamanlar Chicago Üniversitesi Kimya bölümünden yeni mezun olan Stanley L. Miller, 1952 Eylül ayında, yani Urey’in seminerine katıldıktan yaklaşık 1,5 yıl sonra indirgeyici bir gaz karışımı kullanarak prebiyotik sentezi laboratuvar ortamında gerçekleştirmeyle ilgili düşünceleri konusunda Urey’le temasa geçti (Miller, 1974).
Urey’in ilk baştaki isteksizliğine rağmen sonradan bu sorunu aşan ikili, deneyde kullanılmak üzere üç farklı ateşleyici aparat tasarladı. Bu aparat , ilkel dünyadaki okyanus-atmosfer sistemini temsil ediyordu. Isıtılarak elde edilen su buharı okyanuslardaki buharlaşmayı , buharın metan, amonyak ve hidrojenle karıştırılmasıyla elde edilen ortam da su buharına doymuş ilkel atmosferi temsil edecekti. Miller’ın deneye başlamasından çok kısa süre sonra sonuç alınmaya başlandı. Güncel analitik araçlara kıyasla Miller’ın elindeki metodlar kaba ve basitti, ama yine de gaz karışımının sadece 2 günlük ateşlenmesi sonucunda glisin üretilmişti. Deneyi bir hafta boyunca tekrar ettikten sonra ateşlemenin yapıldığı deney tüpünün iç yüzeyi yağlı bir maddeyle kaplanmış ve suyun rengi sarımsı kahverengiye dönüşmüştü. Kağıt kromotografisi analizinde oluşan glisin noktasının yoğun ve koyu olduğu, ayrıca başka aminoasitlere denk gelen noktaların da oluştuğu gözlendi. Üç aparatla yapılan deneylerde, temelde benzer miktarda aminoasit ve organik bileşik sentezlendi. Dördüncü aparatla ise daha düşük miktarda ve sınırlı çeşitte aminoasit (sadece glisin ve sarkozin) sentezlendi (Miller, 1955). Miller, Urey’e etkileyici sonuçları gösterdikten sonra bunları tercihen Science gibi öncül bir dergide yayımlama zamanının geldiğine karar verdiler. Urey editörlerle temasa geçti ve makalenin en kısa zamanda yayımlanmasını rica etti. Miller’ın raporda ortak yazar olarak görünmesine de izin vermedi çünkü bu durumda Miller’ın itibarı çok az olacak ve hakettiği takdiri görmeyecekti. Bu arada Urey, deneyin sonuçlarından o kadar etkilenmişti ki derslerinde de Miller’ın başarısından söz etmeye başladı. 24 Kasım 1952’de Times ve Newsweek’te yayımlanan makalelerde de görüleceği üzere, bu haber sadece bilim camiasında değil medyada da büyük bir ilgiyle karşılandı: Yaşamın kökeni sonunda anlaşılabilecek miydi?
Makalenin metni 10 Şubat 1952’te Science dergisine yollandı ve 14 Şubat’ta editörlüğe ulaştı. 28 Şubat 1953’te Urey, yazı kurulu başkanı Howerd Meyerhoff’ a yazarak makalenin hala yayımlanmamış olmasından dolayı şikayette bulundu. “Eğer Science yayımlama konusunda isteksizse makaleyi Journal of the American Chemical Society’e yollarız. Bu konuda kararımızı verebilmemiz için acilen bir cevap bekliyorum” diye yazdı Urey. Bu arada 8 Mart 1953 Pazar günü, New York Times, “2 milyar yıl geriye bakmak” isimli oldukça kısa ve gizemli bir makale yayımladı ve bu makalede Wollman M. MacNevin ve Ohio Eyalet Üniversitesindeki ekibinin yaptığı deneylerden bahsetti. MacNevin ve ekibinin ilkel dünyayı taklit eden deneyler yaptığından ve bunlardan biri olan deşarj deneyinde metan içinden bir kıvılcım geçirilerek analiz için fazla kompleks olan rezinöz katıların sentezlendiğinden bahsediliyordu. MacNevin; CO2, H2O ve NH3 karışımının ısıtılması sonucu porfirin elde ettiklerini de vurguluyordu.
Ertesi gün Stanley Urey’e, bu haberin kupürünü göndererek yanına da “Şimdi ne yapmalıyız emin değilim. MacNevin ve ekibinin çalışması özünde benim tezim. Bugüne kadar Science’ta ve Meyerhoff’un mektubunda, benim metnimin gözden geçirilmesi için işleme sokulduğuna dair bir kanıt göremedim.” yazılı bir not iliştirdi. Urey, haksız bir geciktirme olarak gördüğü bu durum üzerine, 10 Mart’ta derhal Meyerhoff’a bir telgraf çekerek, Science’ın metni geri yollamasını istedi. Sonra da 13 Mart’ta Miller’ın metnini Journal of the American Chemical Society ‘e yolladı. Bu arada Urey’e kızgın olan Meyerhoff 11 Mart’ta bu sefer doğrudan Miller’a yazarak, metni yayımlamak istediklerini ama Dr. Urey’in ‘emirlerine’ uymaktan rahatsız olduklarını, Miller’ın kendi kişisel isteği değilse metni geri yollama taraftarı olmadıklarını ve Science’ta baş makale olarak yayımlamak istediklerini belirtti. Miller derhal teklifi kabul ederek Journal of the American Chemical Society’nin editörüne; “Bu makalenin size yollanmış olması bir hatadır” diyerek metni geri isteyen bir telgraf çekti. Makale 2 ay sonra Science dergisinin 15 Mayıs sayısında yayımlandı. İlginç bir şekilde, Miller’ın metni Science’ta hala gözden geçirilirken, bir başka makale (Kenneth Wilde ve ekibi tarafından gönderilen, CO2 ve su kullanılarak elektrik ark senteziyle organik bileşik sentezlenmesi ile ilgili deneye ait metin) de gözden geçirilmekteydi. Bu metin aslında 15 Aralık 1952’de, yani Miller’dan önce alınmıştı. Wilde ve ekibinin metninde, CO2/su karışımı kullanılarak; formaldehid gibi ilgi çekici bir ürünün elde edilmediği belirtiliyordu. Bu durum, güzel bir biçimde Miller ve Urey’in; etkili organik madde sentezi için indirgeyici ortamın gerektiğini söyleyen tezini doğruluyordu. Wilde ve ekibinin 10 Temmuz 1953’te Science’ta yayımlanan makalesinde, Miller’ın çalışmasından hiç bahsedilmemişti ama dünyadaki canlılığın kökeni ile ilgili çıkarımların deneylerinde etkili olduğu belirtilmişti.
Laboratuvarda aminoasit senteziyle ilgili daha eski çalışmalar:
Friedrich Wöhler’in 1828’deki gümüş siyanür ve amonyum klorürden üre sentezi deneyi, inorganik maddelerden organik madde sentezlenmesine dair ilk çalışmadır (Wöhler, 1828). Bu deneyle; o zaman için fark edilmemiş olsa da, yeni bir kimyasal araştırma alanı açılmış oldu. 1850 yılında Adolphe Strecker asetaldehid, amonyum ve hidrojen siyanidden alanin sentezini başardı (Strecker, 1850). Bunu takiben Alexandr M. Butlerov (1861) formaldehidin, sodyum hidroksit (NaOH) gibi güçlü alkalen katalizörlerle bir araya getirilmesinden şeker sentezlendiğini gösterdi. Biyokimyasal bileşiklerin laboratuvar ortamında sentezi kısa zamanda çok daha karmaşık deneysel çalışmaları getirdi. 19. yüzyılın sonlarına gelindiğinde, organik sentezle ilgili oldukça fazla deney yapılmış, bu da yağ aistleri ve şekerlerin değişik gazlar kullanılarak elektrik deşarjı yoluyla abiyotik sentezin mümkün olduğu sonucuna sebep olmuştu (Rabinowitch, 1945).
Bu çalışmalar, 20. yüzyılda Klages (1903) ve Ling ile Nanji (1922) tarafından devam ettirildi, ki bu bilim insanları da olasılıkla aynı başlangıç maddelerini kullanarak tanımlanamayan 2 tane aminoasit bulmuş olan Strecker sentezinden ve Herrera’dan (1942)ilham alarak, formaldehid ve potasyum siyanidden formaldehid sentezini rapor ettiler. Walther Löb, Oskar Baudish vd, ıslak formamidi (CHO-NH2) sessiz elektrik deşarjına (Löb, 1913) ve UV ışığına (Baudish,1913) tabi tutarak amino asit sentezlemeye çalıştı. Löb, ıslak formamidin sessiz deşarja tabi tutulmasıyla glisin elde ettiğini rapor etti. UV ışığının veya sessiz deşarjın etkisiyle formamidin önce oksamik asite, ondan da glisine indirgendiğini öne sürdü. Ayrıca ıslak karbon monoksit ve amonyak sessiz deşarja tabi tutulursa glisin oluşacağını, bu reaksiyonda da formamidin ara ürün olacağını iddia etti. Löb, teorisinde, glisin’in yine formamid’in ara ürün olacağı bir reaksiyonda, ıslak karbon dioksit ve amonyaktan da sentezlenebileceğini düşündü ama bunu deneysel olarak gösterme girişiminde bulunmadı. Her ne kadar Löb sonunda formamidden glisin ürettiyse de, bu prebiyotik bir reaksiyon sayılamaz çünkü formamid ilkel dünya koşullarında var olmuş olamaz. Islak karbon monoksit ve amonyağın HCN oluşturması mümkündür, ki bu da polimerizasyon ve hidroliz yoluyla glisin oluşumuna sebep olabilir. Löb’ün 1913’te yayımlanan makalesi dikkatle incelendiğinde, bu deneylerin yapılış amacının temelde bitkilerdeki karbondioksit ve azot özümsemesini anlamak olduğu görülür. Löb’ün dünyada hayatın nasıl ortaya çıktığına veya olsası prebiyotik koşullar altında organik madde sentezinin meydana gelişine dair cevap aradığını gösteren bir emare yoktur. İlk canlıların ototrofik , bitki benzeri canlılar olduğu düşünüldüğü için organik bileşiklerin abiyotik sentezi, canlılığın oluşumu için bir ön koşul değildi. Bu nedenle de Löb’ün bu konudaki bakış açısı şaşırtıcı değildir.
Bu organik sentezler, canlılığın kökeninin ototrofik olma ihtimaline yönelik çalışmalar yapan Herrera’nınkiler (1942) hariç, Darwin’in ılık havuzunu simüle edecek laboratuvar çalışmaları olarak kabul edilmedi. Daha çok, bitkilerdeki azot asimilasyonunun ve CO2 fiksasyonunun ototrofik mekanizmalarını anlamaya yönelik çabalar olarak kabul gördü. Şaşırtıcı bir şekilde, olasılıkla da o günlerde çoktan unutulmuş olduğu için , kapsamlı incelemesindeOparin (1938); ne Strecker’in alanin sentezinden ne de Löb’ün elektrik deşarjlarıyla ilgili çalışmalarından bahsetti. Bildiğimiz kadarıyla, Löb ve diğer 19. yüzyıl kimyagerlerinin çalışmalarının bahsi ilk kez Stanley Miller’ın 1954 doktora tezinde ve onu takiben de Science’ta yayımlanan makalesinde (Miller, 1955) geçti. 29 Mayıs 1953’te Sir Edmund Hilary ile şarpası Tenzing Norga, dünyanın en yüksek dağı olan Sagarmatha’nın (Nepallilerin değimiyle Everest Dağı’nın) zirvesine ulaşarak imkansız gibi görüneni başardılar. 1953’ün takip eden aylarında da diğer önemli zirvelere çıkıldı ve bu gelişme ile hayatın ve canlılığın doğası ve kökenine bakış açımız müthiş bir şekilde değişti. Stalin 5 Mart’ta vefat etti ve nihayet Sovyetler Birliği’nde genetik araştırmaların Trofim D. Lysenko’nun kıskacından kurtulmasıyla, bir proteinin (insülin) aminoasit serisini anlatan Sanger ve E. O. P. Thompson’ın makalesi (1953) yayımlandı.
-
Stanley L. Miller, A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions, 15.05.1953, Science, DOI: 10.1126/science.117.3046.528.
-
Lazcano, A., Bada, J.L. The 1953 Stanley L. Miller Experiment: Fifty Years of Prebiotic Organic Chemistry. Orig Life Evol Biosph 33, 235–242 (2003).
-
Primordial Soup’s On: Scientists Repeat Evolution’s Most Famous Experiment, Scientific American, 2007.
-
Oró, J.; Kimball, A.P. (1961). “Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide“. Archives of Biochemistry and Biophysics. 94 (2): 217–227. doi:10.1016/0003-9861(61)90033-9. PMID 13731263.
-
Oró, J. (1961). “Mechanism of Synthesis of Adenine from Hydrogen Cyanide under Possible Primitive Earth Conditions“. Nature. 191 (4794): 1193–1194.
.jpg)
