Hollandalı bilim insanı Antonie van Leeuwenhoek, 17.yüzyılda, bir mikroskop aracılığıyla tek hücreli organizmaları gözlemleyen ilk kişi olmuştur. Leeuwenhoek, gözlemlediği bu canlılara kendi ifadesiyle "mikroskobik hayvanlar" ismini vermişti. Leeuwenhoek'un bu gözleminden neredeyse üç yüzyıl sonra bizler, ölümcül hastalıkların kaynağı olabilen bakteriler, endüstriyel enzimler, muhteşem şarap ve biraların yaratıcısı mikroorganizmalar hakkında çok şey öğrendik.

Yalnızca bu bilgiyle de kalmadık; bu canlıların yapıları hakkında da daha fazla bilgi sahibi olduk. Bakterilerdeki en önemli yapılardan bazıları üzerine yürütülen güncel çalışmalar ve bu yapılara müdahale ettiğimizde neler olduğuna ilişkin geliştirilen yeni kavrayışlar, Dünya üzerindeki ilk yaşam formlarının nasıl ortaya çıkmış olabileceğine dair teorilerimizin de gelişmesine neden oldu.

Tek hücreli canlılar olan bakterilerde, genellikle bitki hücrelerinde gözlemlemeye alışkın olduğumuz, hücre zarını çevreleyen bir hücre duvarı da bulunur. Bakteri hücre duvarı, daha ziyade bir kafes gibi, aminoasit ve şekerden oluşan polimer bir yapıya sahiptir. Bakterilerin böyle bir duvarının oluşu bizim için de bir avantajdır; çünkü bu duvar, bakterinin şekil ve bölünmesi için önemlidir ve bu da onları antibiyotikler açısından iyi birer hedef haline getirir. Öte yandan hücre duvarının elementleri, enfeksiyonlara karşı da güçlü bir bağışıklık tepkisinin gelişmesine neden olur. Bu yüzden, hücre duvarını incelemek, patojenlerin, savunma mekanizmamıza nasıl zarar verdiğini ve kilit antibiyotiklerin (örneğin; penisilin gibi) nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olabilir; dolayısıyla bu durum antibiyotik direncinin nasıl ortaya çıkabileceği konusunda bizlere bilgi verebilir ve en iyi antibiyotikleri aşırı kullanımdan uzak kalarak güvende olmamızı sağlar.

Hücre Duvarı Geliştirmek ve Gezegen Boyunca Yayılmak

Yaklaşık 100 yıl önce,  hücre duvarını boyamak için özel boyaların kullanılması. tekniğinin keşfiyle, en az iki temel bakteri sınıfı tanımlandı: Gram-pozitif ve gram-negatif. Her iki bakteri sınıfı da, dirençli Staphylococcus aureus (MRSA) ve E.coli gibi bakterileri de içeren ağır patojenler içerir.

Ancak, son zamanlarda mikroskobik görüntüleme yöntemlerindeki ilerlemeler sayesinde bakterileri son derece karmaşık biyo-makineler olarak görebiliyoruz. Örneğin, ortalama bir bakteri, hücrenin önemli yapılarının çoğunu oluşturan ve fonksiyonların büyük bir çoğunluğunu gerçekleştiren yaklaşık 5.000 farklı protein yapabilme kapasitesindedir. Bölünmenin ana düzenleyicisi olan FtsZ, hücrenin tam ortasında inanılmaz bir halka yapı oluşturur ve hücre duvarının silindir şeklini belirleyen MreB, hücrenin sınırları boyunca uzanan yaylar oluşturur.

Pek çok bakteri, yarım küre biçiminde uçları ya da "kutupları" olan bir çubuk şeklindedir ve bu silindir şekli gerip uzatarak büyürler. Bölünmek için, hücre, içe doğru büyür ve daha sonra --bu şaşırtıcı FtsZ mekanizması ile-- her zaman tam olarak hücrenin orta noktasından olacak şekilde bölünürler. Bütün bu süreç, son derece etkin gerçekleşir ve uygun biçimde bölünmeyi başaramayan hücre nadiren görülür.

Tüm hücrenin yüzeyini saran büyük bir kâse benzeri molekül gibi davranan hücre duvarı, bu büyüme ve bölünme için gerçekten çok önemlidir. Öte yandan, büyümenin gerçekleşebilmesi ve sonrasında da hücre bölünmesinin sağlanması için oldukça dirençli ve güçlü olan bu yapının da büyütülmesi ve özenle kalıplanmış olması gerekir.

Hücre duvarı geliştirmiş olmak, Dünya üzerindeki yaşamın ilk fazında bakterilerin gezegen boyunca yayılabilmesini mümkün hale getiren önemli adımlardan birisi olmuştur ve hemen hemen tüm modern bakteriler, az-çok aynı malzemeden yapılmış bir duvara sahiptir. Dolayısıyla bu duvar, çok erken evrilmiş olmalı ve o zamandan beri de duvarı yapmaktan sorumlu "makine" esas olarak değişmeden kalmıştır.

L-form Bakteriler ve Yaşamın Kökeni

Bu duvarın tüm önemine rağmen, birçok bakteri, hücre duvarı bulunmayan “L-form” haline neredeyse hiç çaba harcamadan geçebilir. İşte bu aşamada, gerçekten de bir tehdit halini alırlar. Çünkü, bu durumda sadece birçok antibiyotiğe karşı tamamen dirençli olmakla kalmaz, aynı zamanda bağışıklık sistemlerimizin radar ekranından kaçabilirler.

Bu özel bakteriler, birçok kronik ya da kalıcı hastalıkla ilişkilidir ve son derece hassas ve yavaş büyüme gösterdiklerinden bu bakteriler üzerinde çalışmalar yapmak oldukça zordur. 2009 yılında Nature'da yayımlanan bir çalışma ile Bacillus subtilis özelinde bu L-form bakterilerin temel biyolojilerine dair daha fazla bilgi sahibi olunması hedeflendi. Her ne kadar bakterilerin üretilmesi (kültür oluşumu) zor olsa da; araştırmada, bazı teknik hileler kullanılarak onları normal bakterilerden L-formlarına çeviren "anahtarı" üretmek şaşırtıcı derecede kolay oldu.

Araştırmada elde edilen çarpıcı ilk bulgulardan birisi, bu bakterilerin, bölünme için normalde gerekli olan mekanizmadan tamamen bağımsız olduklarıydı. Bunun yerine, L-form bakteriler, garip ve görünüşte gelişigüzel bir süreç kullanırlar: Çoklu küçük hücrelere bölünen tüpler oluştururlar veya --bir nevi tomurcuklanma gibi-- zar üzerinden çıkıntılar oluşturur ve yeni hücreleri oluştururlar. Bunun nedeni ise hacimlerine kıyasla yüzey alanını arttırdıkları fazla miktarda zar oluşturmalarıdır.

L-form bakterilerin bu garip davranışlarını anlamak, ilk basit yaşam formlarına dair de bakış açıları geliştirmemize neden olabilir. Pek çok bilim insanı, yaşamın nasıl evrilmiş olabileceği üzerine çalışmalar yürütmeye devam ediyor ve o ilk adımların nasıl ortaya çıktığına dair de akla yatkın, makul fikirler bulunuyor. Örneğin "RNA dünyası" hipotezine göre, ilk kimyasal yapı taşları birikip, bilgi depolayan ve bir katalizör olarak davranan RNA geliştikten sonra (ardından DNA ve proteinler geliyor), doğal seçilimin gerçekleşmesi için içlerinde replikasyonu sağlayan enzimlerin bulunduğu bir çeşit "konteynere" yani ilk hücrelerin oluşmasına ihtiyaç duyuldu. Çoğalıcıların "mallarını” korumak için kendilerini çevreleyebilecekleri bir yapının gelişmesi, evrimin önemli bir adımıdır diyebiliriz. Modern hücrelerde, bu yapı, hücre duvarıyla desteklenmiş kompleks bir plazma zar şeklindedir.

L-formları için garip çoğaltma mekanizmasının açığa çıkarıldığı anlarda, teorik bilimciler ve biyofizikçiler de, basit zar keselerinin nasıl bölünmüş olabileceğini düşünüyorlardı ve çok basit bir zar kesesine yapmanız gereken tek şeyin, herhangi bir sızıntı oluşturmadan yüzey alanını arttırmak olduğunu gösterdiler. Eğer ki, yüzey alanının hacime oranı artarsa, kese, şekil bakımından rastgele değişimler gösteriyor ve hatta bölünüyor.