Bilim adamları tarafından keşfedilen ilk nitrojen sabitleyici organel

Modern biyoloji ders kitapları, yalnızca bakterilerin atmosferden nitrojen alıp onu yaşanabilir bir forma dönüştürebildiğini iddia ediyor. Baklagiller gibi nitrojeni sabitleyen bitkiler bunu kök nodüllerinde simbiyotik bakterileri barındırarak yaparlar. Ancak son keşif bu kuralı tersine çeviriyor.

Yakın zamanda yayınlanan iki makalede, uluslararası bir bilim insanı ekibi, ökaryotik bir hücrede bilinen ilk nitrojen sabitleyici organeli tanımladı. Organel, birincil endosembiyozun (prokaryotik bir hücrenin ökaryotik bir hücre tarafından yutulması ve simbiyozun ötesinde bir organele dönüşmesi süreci) tarihindeki dördüncü örnektir.

UC Santa Cruz'da doktora sonrası araştırmacı ve yakın tarihli iki makaleden birinin ilk yazarı olan Tyler Cole, “Bu tür bir şeyden organellerin ortaya çıkması çok nadirdir” dedi. Mitokondrinin kökenine değinerek, “Bunun gerçekleştiğini ilk düşündüğümüzde, tüm karmaşık yaşam formlarının ortaya çıkmasını sağladı. Bakteri hücresinden daha karmaşık olan her şey, varlığını bu olaya borçludur.” dedi. Cole, “Yaklaşık bir milyar yıl önce kloroplastlarda da aynı durum yaşandı ve bu bize bitkileri verdi” dedi.

İyi bilinen üçüncü bir örnek, kloroplast benzeri bir mikropla ilgilidir. Son keşif, araştırmacıların nitroplast adını verdiği, nitrojeni sabitleyen bir organelin ilk örneğidir.

Onlarca yıllık bir gizem

Organelin keşfedilmesi biraz şans ve onlarca yıllık çalışma gerektirdi. 1998 yılında, Santa Cruz'daki Kaliforniya Üniversitesi'nde seçkin bir deniz bilimleri profesörü olan Jonathan Zehr, Pasifik deniz suyundaki bilinmeyen nitrojen sabitleyici siyanobakterilerden olduğu anlaşılan kısa bir DNA dizisi buldu. Zahr ve meslektaşları, UCYN-A adını verdikleri gizemli nesneyi incelemek için yıllarını harcadılar.

Bu arada Japonya'daki Kochi Üniversitesi'nden paleontolog Kyoko Hagino da aktif olarak deniz yosunu yetiştirmeye çalışıyordu. UCYN-A'nın konakçı organizması olduğu ortaya çıktı. 300'den fazla örnekleme gezisi ve on yıldan fazla zaman aldı, ancak Hagino sonunda algleri kültürde yetiştirmeyi başardı ve diğer araştırmacıların UCYN-A ve onun deniz yosunu konakçısını laboratuvarda birlikte incelemeye başlamasına olanak sağladı.

Uzun yıllar boyunca bilim insanları UCYN-A'yı alglerle yakından ilişkili bir endosembiyoz ortağı olarak değerlendirdiler. Ancak yakın zamanda yayınlanan iki makale, UCYN-A'nın eski simbiyotik konakçısıyla birlikte evrimleştiğini ve artık bir organel kriterlerine uyduğunu öne sürüyor.

Organik kökenler

içinde Cell'de yayınlanan makale Mart ayında, MIT, Instituto de Ciencia de Barcelona ve Rhode Island Üniversitesi'nden Zahr ve meslektaşları, UCYN-A ile alg konakçıları arasındaki boyut oranının deniz haptofit algleri Braarudosphaera'nın farklı türleri arasında benzer olduğunu gösterdi. bigelowii.

Araştırmacılar, konakçı hücre büyümesinin ve UCYN-A'nın besin alışverişi ile kontrol edildiğini göstermek için bir model kullanıyor. Metabolik süreçleri birbiriyle ilişkilidir. Büyüme oranlarındaki bu senkronizasyon, araştırmacıların UCYN-A'yı “organel benzeri” olarak adlandırmasına yol açtı.

Zahr, “Bu tam olarak organellerde olan şeydir” dedi. “Mitokondri ve kloroplastlara bakarsanız, bunların aynı şey olduğunu görürsünüz: hücreyle birlikte genişlerler.”

Ancak bilim insanları, diğer kanıtları doğrulayana kadar UCYN-A'ya güvenle bir organel adını vermediler. İçinde Bilim dergisi kapak makalesiBugün yayınlanan belgede Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, California Üniversitesi, Santa Cruz'dan Wing-Kwan Esther Mak ve California Üniversitesi, San Francisco, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, Ulusal Tayvan Okyanus Üniversitesi ve Kochi'den ortaklar yer alıyor. Japonya'daki üniversite. UCYN-A, proteinleri konakçı hücrelerinden alır.

Zahr, “Bu, endosembiyoz ortağından organele giden bir şeyin işaretlerinden biridir” dedi. “DNA parçalarından kurtulmaya başlıyorlar, genomları giderek küçülüyor ve bu gen ürünlerini veya proteinin kendisini hücreye taşımak için ana hücreye güvenmeye başlıyorlar.”

Tyler Cole, çalışma için proteinler üzerinde çalıştı. İzole edilmiş UCYN-A'da bulunan proteinleri, algal konakçı hücrenin tamamında bulunan proteinlerle karşılaştırdı. Konakçı hücrenin proteinler yaptığını ve bunları belirli bir amino asit dizisiyle etiketlediğini, bunun da hücreye onları nitroplasta göndermesini söylediğini buldu. Nitroblast daha sonra proteinleri ithal eder ve kullanır. Cole, UCYN-A içindeki belirli yollardaki boşlukları dolduran bazı proteinlerin işlevini tanımladı.

Zahr, “Birbirine uyan ve birlikte çalışan sihirli bir yapboz gibi” dedi.

Aynı makalede, San Francisco Kaliforniya Üniversitesi'nden araştırmacılar, UCYN-A'nın alg hücresi ile birlikte çoğaldığını ve diğer organeller gibi miras alındığını gösterdi.

Perspektifleri değiştirin

Bu bağımsız kanıtlar, UCYN-A'nın ortak yaşam rolünü aştığı konusunda hiçbir şüpheye yer bırakmıyor. Mitokondri ve kloroplastlar milyarlarca yıl önce evrimleşirken, nitrojenoplastların yaklaşık 100 milyon yıl önce evrimleştiği görülüyor ve bu da bilim insanlarına organel oluşumu konusunda yeni ve daha modern bir bakış açısı sağlıyor.

Organel ayrıca okyanus ekosistemleri hakkında bilgi sağlar. Tüm canlı organizmaların biyolojik olarak kullanılabilir formdaki nitrojene ihtiyacı vardır ve UCYN-A, nitrojeni atmosferden sabitleme yeteneği nedeniyle küresel olarak önemlidir. Araştırmacılar bunu tropiklerden Arktik Okyanusu'na kadar her yerde buldular ve büyük miktarda nitrojeni sabitlediler.

Zehr, “O sıradan bir oyuncu değil” dedi.

Bu keşif aynı zamanda tarımı değiştirme potansiyeline de sahip. Atmosferdeki nitrojenden amonyak gübresi üretme yeteneği, tarımın ve dünya nüfusunun 20. yüzyılın başlarında yükselişe geçmesini sağladı. Haber-Bosch süreci olarak bilinen bu süreç, dünyadaki gıdanın yaklaşık %50'sinin üretilmesini sağlıyor. Ayrıca çok büyük miktarlarda karbondioksit üretiyorlar: Küresel emisyonların yaklaşık %1,4'ü bu süreçten geliyor. Onlarca yıldır araştırmacılar, doğal nitrojen fiksasyonunu tarıma dahil etmenin bir yolunu keşfetmeye çalışıyorlar.

Cole, “Bu sistem nitrojen fiksasyonu konusunda yeni bir bakış açısıdır ve böyle bir organelin mahsul bitkilerine nasıl dönüştürüleceğine dair ipuçları sağlayabilir” dedi.

Ancak UCYN-A ve onun alg konakçısı hakkındaki pek çok soru cevapsız kalıyor. Araştırmacılar, UCYN-A ve alglerin nasıl çalıştığını daha derinlemesine araştırmayı ve farklı türler üzerinde çalışmayı planlıyor.

UC Santa Cruz'da yardımcı doçent olan Kendra Turk-Cobo araştırmaya yeni laboratuvarında devam edecek. Zahr, bilim adamlarının UCYN-A'ya benzer evrim hikayelerine sahip başka organizmalar bulmasını bekliyor ancak türünün ilk örneği olan bu keşif, ders kitaplarına girecek bir keşif.