Bilim insanları, biyolojinin sınırlarını genişleten bir yeniliğe imza atarak fotosentez yapabilen hayvan hücreleri geliştirmeyi başardı. Tokyo Üniversitesinden Profesör Sachihiro Matsunaga’nın öncülük ettiği bu buluş, hem tıbbi araştırmalara yeni bir bakış açısı getirebilir hem de uzay çalışmalarından tutun insanın sadece su ve minerale bağlı yaşamını destekleyecek bir aygıta dönüşebilir. Peki nedir bu hayvan hücrelerinde fotosentezin temelleri?
Fotosentezin temel prensipleri ve endosimbiyotik teori
Fotosentez yapabilen hayvan hücrelerindeki anormalliği çözebilmek için önce fotosentezi anlamak gerekir. Fotosentez, doğanın en sıra dışı enerji dönüşüm süreçlerinden birisidir. Bu süreçte güneşten gelen ışık enerjisi, kimyasal enerjiye dönüştürülerek organik bileşiklerin sentezlenmesi sağlanır. Bu dönüşümün merkezinde ise kloroplastlar yer alır. Kloroplastlar, bitki hücrelerinin enerji santralleri gibi çalışan organellerdir ve özellikle yaprakların mezofil tabakasında yoğunlaşırlar. Bu organeller, yüksek yüzey alanına sahip tilakoid zarları sayesinde ışık enerjisini verimli bir şekilde yakalayıp fotosistem I ve II gibi protein kompleksleri aracılığıyla ATP ve NADPH gibi enerji taşıyan moleküllerin üretimini sağlar. [1]
Kloroplastların içerisinde yer alan klorofil pigmentleri, fotosentezin başrol oyuncularından biridir. Güneş ışığını emerek karbon fiksasyonu sürecinde karbondioksitin (CO₂) organik bileşiklere dönüştürülmesini mümkün kılar. Bu süreç “Calvin döngüsü” adı verilen bir dizi kimyasal reaksiyonla gerçekleşir. Ancak bu sıra dışı enerji dönüşümü, hayvan hücrelerinde doğal olarak bulunmaz. Çünkü hayvanlar, enerji ihtiyaçlarını mitokondriler aracılığıyla karşılarlar. Hayvan hücrelerinde fotosentez biyomühendisliği tam olarak bu noktada ilgi çekici hale geliyor. Mitokondriler, tıpkı kloroplastlar gibi enerji üretiminden sorumlu organellerdir ancak onlar oksijenli solunum yoluyla enerji üretirler. İlginç bir şekilde, mitokondriler de tıpkı kloroplastlar gibi endosimbiyotik teoriyle açıklanan bir evrimsel sürecin ürünüdür. [1] [2]
Endosimbiyotik teori, hücrelerimizdeki bu enerji santrallerinin kökenine dair ilginç bir evrimsel süreci açıklar. Bu teoriye göre yaklaşık 1,2-1,6 milyar yıl önce ilkel ökaryot hücreler, serbest yaşayan bakterileri içlerine alarak onlarla simbiyotik bir ilişki kurmuşlardır. Bu ilişki zamanla kalıcı hale gelmiş ve bu bakteriler, mitokondri ve kloroplast gibi organellere dönüşmüştür. Kloroplastların kökeni, fotosentetik siyanobakterilere dayanır. Bu bakteriler, ilkel ökaryot hücrelerle birleşerek kloroplastların evrimleşmesine yol açmıştır. Bugün kloroplastların kendi DNA’sına sahip olması ve çift zar yapısı, bu evrimsel geçmişin bir kanıtı olarak kabul edilir. Aynı şekilde mitokondriler de kendi DNA’larına sahiptir ve bu da onların bakteriyel kökenlerini destekler. [2]
Bu evrimsel dönüşüm sadece kloroplastların değil, mitokondrilerin de hücrelerimizdeki kritik rollerini açıklamaya yardımcı olur. Mitokondriler, oksijenli solunum yoluyla ATP üretirken kloroplastlar fotosentezle enerji üretir. Bu iki organel, birbirini tamamlayan süreçlerle yaşamın enerji döngüsünü sürdürür. Ancak hayvan hücreleri doğal olarak kloroplastlara sahip değildir, çünkü enerji ihtiyaçlarını mitokondriler aracılığıyla karşılarlar. Hayvan hücrelerinde fotosentez açıklanırken bu ilginç evrimsel sürecin garip bir şekilde aşılması da bu çalışmayı çok daha ilginç hale getirmektedir. Nasıl oldu da kloroplast tüm evrimsel aşamaları egale edip de ökaryotik hayvan hücresinde entegre çalışmayı başardı?
Bahsedilecek çalışmanın yanı sıra doğada bazı istisnalar, hayvan hücrelerinde fotosentezin sınırlı da olsa mümkün olabileceğini gösterir. Örneğin Elysia chlorotica adlı deniz tavşanı, fotosentetik alglerden kloroplastları hücrelerine dahil ederek geçici bir fotosentetik yetenek kazanır. Benzer şekilde sarı benekli semender Ambystoma maculatum embriyoları, alglerle simbiyotik bir ilişki kurarak fotosentezden faydalanır. Bu örnekler, fotosentez yapabilen hayvan hücrelerinin olabileceğine dair farklı bulguları göstermektedir. Tabii ki makalede bahsedilen çalışma bir istisnadan ziyade bir biyomühendislik ürünüdür. Peki, kloroplastın hayvan hücrelerine dahil edilmesi laboratuvarda nasıl hayata geçiriliyor?
Fotosentez yapabilen hayvan hücreleri? Nasıl mümkün olabiliyor?!
Fotosentezin bitkilerin güneş ışığını enerjiye dönüştürme süreci olarak bilindiği anlatıldı. Peki ya bu süreç hayvan hücrelerinde fotosentez olarak kendini gösterebilir mi? Profesör Sachihiro Matsunaga ve araştırma ekibi, bu sorunun peşine düşerek oldukça ilginç bir çalışma yaptı. İşte bu çalışmanın nasıl yapıldığı ve sonuçları…
Deneyin temel fikri oldukça basit: Bitkilerde fotosentezin gerçekleştiği kloroplastları alıp hayvan hücrelerine yerleştirmek. Ancak bu, göründüğü kadar kolay değil. İlk adım, kloroplastları doğru şekilde izole etmek. Bunun için Cyanidioschyzon merolae adlı bir alg türü kullanıldı. Oldukça ilkel özelliklere sahip olan bir kırmızı alg olan bu tür; fotosentetik aktivitesini koruyabilmesi, yüksek sıcaklık ve asidik koşullarda dahi yaşayabilmesi sebebiyle tercih edildi. [5] Bu alglerden kloroplastlar özenle çıkarıldı ve daha sonra Çin hamsteri yumurtalık hücreleri (CHO-K1) ile bir araya getirildi. [3] [4] CHO-K1 hücreleri, biyoteknolojide yaygın olarak kullanılan bir hücre hattıdır ve dışarıdan eklenen organelleri veya maddeleri içlerine alma konusunda oldukça elverişli olmasıyla tercih edilmiştir. [6]
Kloroplastların izolasyonu sırasında tilakoid yapılarının (kloroplastların içindeki enerji üreten katmanlar) bozulmamasına özellikle dikkat edildi. Bunun için hücreler önce hipotonik bir çözeltiye yerleştirildi ardından mekanik olarak parçalandı. Sonrasında yoğunluk gradyanı santrifüjü ile kloroplastlar diğer hücresel bileşenlerden ayrıştırıldı. Elde edilen kloroplastlar düşük sıcaklıkta saklanarak stabilitesi korundu. [1] [4]
(Kredi: Proceedings of the Japan Academy Series B.)
Kloroplastlar hazır olduğunda, sıra onları hayvan hücrelerine entegre etmeye geldi. CHO-K1 hücreleri, laboratuvar ortamında özenle yetiştirildi ve kloroplastlar bu hücrelerin kültür ortamına eklendi. İki gün boyunca kloroplastlar ve hayvan hücreleri birlikte kültüre edildi. Bu süreçte kloroplastların hücre içine alınıp alınmadığı ve fotosentetik aktivitelerini koruyup korumadığı gözlemlendi. [4]
Peki, kloroplastlar hayvan hücrelerinde fotosentezi tetikledi mi? İlk iki gün boyunca, kloroplastların fotosentetik mekanizmalarının aktif olduğu tespit edildi. Fotosistem II adı verilen ve ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren sistem, hayvan hücrelerinde de işlevseldi. Ölçümler, kloroplastların elektron taşıma zinciri aktivitesinin korunduğunu ve fotosentetik verimliliğin bitkilerdekiyle benzer olduğunu gösterdi. [2] [4]
Ancak dördüncü günden itibaren işler biraz karıştı. Kloroplastların yapısında bozulmalar başladı. Tilakoid zarları (kloroplastların içindeki enerji üreten katmanlar) çözülmeye başladı ve fotosentetik aktivite azaldı. Bu durum, kloroplastların hayvan hücrelerinde uzun süreli olarak stabil kalamadığını gösterdi. [4]
Sonuç bakımından değerlendirecek olursak kloroplastların hayvan hücrelerine entegrasyonu hücrelerin büyümesini de etkiledi. Fotosentez sırasında üretilen ATP ve NADPH gibi enerji taşıyıcı moleküller, hücrelerin metabolik aktivitelerini destekledi. Bulgular, kloroplast eklenen hücrelerin kontrol grubuna kıyasla yaklaşık %20 daha hızlı büyüdüğünü gösterdi. Bu, fotosentezle üretilen enerjinin hayvan hücrelerinin büyümesine katkıda bulunduğunu gösterdi. [2] [4] Ancak kloroplastların stabilitesi konusunda hâlâ çözülmesi gereken sorunlar var. Özellikle kloroplastların lizozomlar tarafından sindirilmesi, uzun vadeli bir çözüm bulunmasını zorlaştırıyor.
Bu deney, kloroplastların hayvan hücrelerinde kısa süreli de olsa fotosentetik aktivite gösterebileceğini (Fotosentez yapabilen hayvan hücreleri) kanıtladı. Ancak uzun vadeli bir çözüm için kloroplastların stabilitesini artırmak ve lizozomal sindirimi engellemek gerekiyor. Bu tür çalışmalar, gelecekte biyoteknolojide yeni kapıları aralayabilir. Örneğin; fotosentez yeteneği kazandırılmış hücreler, enerji eksikliği ile ilişkili hastalıkların tedavisinde kullanılabilir veya uzay yolculuklarında sürdürülebilir enerji kaynakları olarak değerlendirilebilir. Belki de bir gün, hayvan hücreleri de güneş enerjisini kullanarak kendi enerjisini üretebilir hale gelecek. Peki bu bulgu tüm detayları ile ne işimize yarayabilir? Neden böyle bir çalışma yapıldı ki?
Fotosentetik hayvan hücrelerinin geleceği? Ne işimize yarayacak?
Bu çalışma, hayvan hücrelerine kloroplastların entegre edilmesi durumunda kısa süreli de olsa fotosentetik aktivite sağlanabileceğini gösterdi. Ancak ortada konuşması gereken bir sorun var. Kloroplastlar stabil kalmadı. Her şeyden önce nasıl bu sorunun aşılabileğini değerlendirmek gerekiyor.
Deneyin ilk iki gününde kloroplastlar, hayvan hücrelerinde fotosentetik aktivite gösterdi. Bu, fotosentez mekanizmalarının hayvan hücrelerinde de işlevsel olabileceğini kanıtladı. Ancak dördüncü günden itibaren kloroplastların yapısında bozulmalar başladı. Tilakoid zarları çözüldü ve fotosentetik aktivite durdu. Bu, kloroplastların hayvan hücrelerinde uzun süreli olarak stabil kalamadığını gösterdi. Söz konusu durumun temel nedeni, kloroplastların lizozomlar tarafından sindirilmesi. Lizozomlar, hücre içindeki yabancı yapıları parçalayan organellerdir ve kloroplastlar da bu süreçten kaçamadı. Bu engeli aşmak için bilim insanları, doğadaki bazı örneklerden ilham alıyor. Örneğin Paramedum bursaria adlı bir protist, simbiyotik algleri korumak için özel bir vakuol oluşturuyor. Benzer bir sistem, kloroplastların lizozomal sindirimden korunması için kullanılabilir. [4]
Kloroplastların hayvan hücrelerinde fotosentez faaliyetini uzun süreli olarak işlevsel gerçekleştirebilmesi için genetik mühendisliği devreye giriyor. Örneğin; fotosentez için gerekli proteinleri kodlayan genler, hayvan hücrelerinin genomuna eklenebilir. Ayrıca kloroplastların genetik yapısı güçlendirilerek eksik genler tamamlanabilir. Bu tür modifikasyonlar, kloroplastların hayvan hücrelerinde daha uzun süre stabil kalmasını sağlayabilir.
Şimdi bu çalışmanın potansiyelini değerlendirme aşamasına gelelim. Bu çalışmanın en heyecan verici yanlarından biri, fotosentez yeteneği kazandırılmış hücrelerin tıpta kullanılma potansiyeli. Özellikle mitokondriyal hastalıklar gibi enerji metabolizması bozukluklarında fotosentezle üretilen ATP ve NADPH, hücrelerin enerji ihtiyacını karşılayabilir. Ayrıca kas distrofisi ve yara iyileşmesi gibi durumlarda fotosentetik hücreler metabolik süreçleri hızlandırabilir.
Fotosentez yeteneği kazandırılmış hücreler, uzay görevlerinde de kullanılabilir. Özellikle uzun süreli uzay yolculuklarında bu hücreler, yapay et üretimi ve karbon döngüsü yönetimi için sürdürülebilir bir çözüm sunabilir. Bu, astronotların enerji ve besin ihtiyaçlarını karşılamak için yeni bir yol olabilir.
Fotosentez yapabilen hayvan hücreleri, çevre dostu et üretimi ve karbon fiksasyonu yoluyla karbon emisyonlarını azaltabilir. Bu tür uygulamalar, iklim değişikliğiyle mücadelede önemli bir rol oynayabilir. Ayrıca ekstrem koşullarda enerji ve besin kaynağı olarak kullanılabilir.
Çalışmadan elde edilen bulgular değerlendirildiğinde tartışma yaratan konulardan biri de insanda fotosentez mekanizmasının gözlemlenebilmesi hipotezidir. Söz konusu insan hücrelerinin fotosentez yapması durumunda insanın besin ihtiyacının büyük oranda ortadan kalktığı, sadece su ve minerale bağlı bir yaşam geliştirme olasılığı söz konusu oluyor. Özellikle %20 metabolik aktivite desteğinin evrimsel süreçte gözlemlendiği bir senaryo akla getirilince bu oranın çok daha yüksek olabileceği de bir başka düşüncenin ürünü.
Ancak bu tür uygulamaların önünde hâlâ büyük engeller var. Kloroplastların bozulması ve enerji metabolizmasındaki uyumsuzluklar, bu teknolojinin uzun vadeli kullanımını zorlaştırıyor. Özellikle fotosentezle üretilen enerji taşıyıcı moleküllerin hayvan hücre metabolizmasıyla uyumsuzluğu, oksidatif strese ve toksik birikimlere neden olabilir.
Bu çalışma kloroplastların hayvan hücrelerine entegre edilerek kısa süreli fotosentetik aktivite sağlanabileceğini gösterdi. Kloroplastlar, ATP ve NADPH üretimiyle hücresel büyümeyi destekledi; ancak lizozomal sindirim nedeniyle uzun vadeli stabilite sağlanamadı. Bu bulgular, fotosentez yapabilen hayvan hücrelerinin mümkün olduğunu kanıtlarken önümüzdeki engellerin aşılması için genetik ve biyoteknolojik müdahaleler gerektiğini ortaya koydu. Gelecekte bu tür çalışmalar ek enerji metabolizması, enerji metabolizması bozuklukları ve uzay yolculuklarına kadar birçok alanda yenilikçi çözümler sunabilir.
- AKADEMİK DERGİ Stirbet, A., Lazár, D., Guo, Y., & Govindjee, G. (2019). Photosynthesis: basics, history and modelling. Annals of Botany, 126(4), 511–537. [Makale Bağlantısı]
- AKADEMİK DERGİ Martin, W. F., Garg, S., & Zimorski, V. (2015). Endosymbiotic theories for eukaryote origin. Philosophical Transactions of the Royal Society B Biological Sciences, 370(1678), 20140330. [Makale Bağlantısı]
- AKADEMİK DERGİ Zienkiewicz, M., Krupnik, T., Drożak, A., Golke, A., & Romanowska, E. (2016). Transformation of the Cyanidioschyzon merolae chloroplast genome: prospects for understanding chloroplast function in extreme environments. Plant Molecular Biology, 93(1–2), 171–183. [Makale Bağlantısı]
- AKADEMİK DERGİ Aoki, R., Inui, Y., Okabe, Y., Sato, M., Takeda-Kamiya, N., Toyooka, K., Sawada, K., Morita, H., Genot, B., Maruyama, S., Tomo, T., Sonoike, K., & Matsunaga, S. (2024). Incorporation of photosynthetically active algal chloroplasts in cultured mammalian cells towards photosynthesis in animals. Proceedings of the Japan Academy Series B. (Dipnot: fotosentez yapabilen hayvan hücreleri için araştırmanın kendisi) [Makale Bağlantısı]
- AKADEMİK DERGİ Pancha, I., Takaya, K., Tanaka, K., & Imamura, S. (2021). The Unicellular Red Alga Cyanidioschyzon merolae, an Excellent Model Organism for Elucidating Fundamental Molecular Mechanisms and Their Applications in Biofuel Production. Plants, 10(6), 1218. [Makale Bağlantısı]
- AKADEMİK DERGİ Cytion. (n.d.). CHO-K1 cell Line: a staple in biotechnological research applications. Cytion. [Makale Bağlantısı]
APA 7: Açıkgöz, E. D. & Axology Journal. (2025, February 13). Fotosentez Yapabilen Hayvan Hücreleri Geliştirildi! PerEXP Teamworks. [Makale Bağlantısı]
