ارتباط عجیب میان یک جلبک دریایی و بقای انسان‌!

غزال زیاری_ تا به امروز در کتاب‌های زیست‌شناسی به این نکته اشاره می‌شد که فقط باکتری‌ها این توانایی را دارند که نیتروژن را از جو گرفته و آن را برای زندگی قابل استفاده کنند. برخی گیاهان مانند حبوبات که قابلیت تثبیت نیتروژن را دارند، این کار را با نگهداری باکتری‌های همزیست در گره‌های ریشه‌هایشان انجام می‌دهند. اما کشف اخیر دانشمندان، از داستان دیگری حکایت دارد.

در دو مقاله اخیر منتشر شده، یک تیم بین المللی از دانشمندان، به توصیف اولین اندامک تثبیت کننده نیتروژن شناخته شده در یک سلول یوکاریوتی پرداختند. اندامک در واقع چهارمین نمونه در تاریخ اندوسیمبیوز اولیه به شمار می‌رود (فرآیندی که طی آن یک سلول پروکاریوتی توسط یک سلول یوکاریوتی غرق شده و فراتر از همزیستی، به یک اندامک تبدیل می‌شود.)

تایلر کول، محقق فوق دکترای دانشگاه کالیفرنیا و اولین نویسنده یکی از این دو مقاله در این باره گفته: « ایجاد اندامک‌ها از چنین چیزهایی، بسیار نادر است.» او در ادامه با اشاره به منشاء میتوکندری گفت:« فکر می‌کنم اولین باری که این اتفاق رخ داد، زندگی پیچیده‌ای را به وجود آورد. هر چیزی که پیچیده‌تر از یک سلول باکتریایی است، وجودش را مدیون این اتفاق است. این رویداد حدود یک میلیارد سال پیش یا بیشتر دوباره برای کلروپلاست رخ داد و به ما گیاهان را داد.»

سومین نمونه شناخته شده، شامل میکروبی شبیه به کلروپلاست است. جدیدترین کشف، اولین نمونه از اندامک تثبیت کننده نیتروژن است که محققان آن را نیتروپلاست می‌نامند.

یک راز چند دهه ای

کشف این اندامک، مستلزم کمی شانس و چندین دهه کار و تلاش بوده. در سال ۱۹۹۸، جاناتان زهر، استاد علوم دریایی دانشگاه کالیفرنیا، یک توالی DNA کوتاه را در آب دریای اقیانوس آرام پیدا کرد که به نظر می‌رسید که از یک سیانوباکتری ناشناخته تثبیت کننده نیتروژن است. او و همکارانش سال‌ها این ارگانیسم مرموز که آن را UCYN-A نامیدند مورد مطالعه قرار دادند.

در همان زمان، کیوکو هاگینو، دیرینه‌شناس دانشگاه کوچی ژاپن به سختی می‌کوشید تا یک جلبک دریایی را پرورش دهد که بعدها مشخص شد که این جلبک دریایی ارگانیسم میزبان UCYN-A است. بیش از ۳۰۰ نمونه برداری انجام شد و این مطالعه بیش از یک دهه طول کشید ولی هاگینو در نهایت موفق شد تا این جلبک را پرورش داده و این امکان را برای دیگر محققان فراهم کرد تا مطالعات‌شان درباره UCYN-A و میزبان جلبک دریایی‌اش را همزمان در آزمایشگاه شروع کنند.

دانشمندان سال‌ها UCYN-A را یک همزیستی درونی می‌دانستند که ارتباط نزدیکی با جلبک دارد؛ اما دو مقاله جدید حکایت از آن دارد که UCYN-A با همزیستی قبلی با میزبان خود تکامل پیدا کرده و حالا با معیارهای یک اندامک مطابقت دارد.

منشا اندامک‌ها

در ماه مارس سال ۲۰۲۴، مقاله‌ای در مجله Cell منتشر شد که طی آن، زهر و همکارانش از موسسه فناوری ماساچوست، موسسه علوم دریایی بارسلونا و دانشگاه رود آیلند نشان دادند که نسبت اندازه بین UCYN-A و میزبان‌های جلبکی آنها در گونه‌های جلبک‌های دریایی هاپتوفیت Braaudosphaera bigelowii مختلف مشابه است.

محققان برای نشان دادن اینکه رشد سلول میزبان و UCYN-A توسط تبادل مواد مغذی کنترل می‌شود، از یک مدل استفاده کردند. متابولیسم آنها به هم مرتبط بود و این هماهنگی در نرخ رشد، باعث شد که محققان UCYN-A را “اندامک مانند” بنامند.

طبق گفته زهر، این دقیقا همان چیزی است که درمورد اندامک‌ها هم اتفاق می‌افتد. اگر به میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها نگاه کنید، دقیقا مشابه هستند: آنها مقیاس‌شان را با سلول تعیین می‌کنند.

دانشمندان تا زمانی که سایر شواهد مورد تائید قرار نگرفته بود، نمی‌توانستند با اطمینان این UCYN-A را اندامک بنامند. در مقاله روی جلد مجله Science، زهر، و دیگر همکارانش از دانشگاه‌های مختلف، به این نکته اشاره می‌کنند که UCYN-A پروتئین‌ها را از سلول‌های میزبان خود وارد می‌کند.

زهر دراین رابطه گفت:« این یکی از نشانه‌های حرکت چیزی از درون همزیستی به یک اندامک است. آنها شروع به دور ریختن تکه‌های DNA می‌کنند و ژنوم‌هایشان کوچک و کوچک‌تر شده و برای انتقال محصولات ژنی یا خود پروتئین، به سلول مادر وابسته خواهند بود.»

کول برای انجام این مطالعه روی پروتئومیکس کار کرد. او به مقایسه پروتئین‌های یافت شده در UCYN-A ایزوله شده با پروتئین‌های یافت شده در کل سلول میزبان جلبک پرداخت و دریافت که سلول میزبان، پروتئین‌ها را می‌سازد و سپس آنها را با یک توالی اسید آمینه خالص برچسب گذاری می‌کند که به سلول بگوید تا آنها را به نیتروپلاست بفرستد. در ادامه نیتروپلاست، پروتئین‌ها را دریافت کرده و از آنها استفاده می‌کند. کول عملکرد برخی از این پروتئین‌ها را شناسایی و مشخص کرد که آنها شکاف‌های مسیرهای خاصی در UCYN-A را پر می‌کنند.

زهر دراین باره ادامه داد:« این مثل یک جور پازل جادویی است که در واقع در آن قطعات با هم هماهنگ شده و با هم کار می‌کنند.» در همین مقاله محققان نشان دادند که UCYN-A همزمان با سلول جلبک تکثیر می‌شوند.

تغییر دیدگاه‌ها

این خطوط مستقل از شواهد، دیگر جایی برای تردید باقی نمی گذارند که UCYN-A از نقش یک همزیست عبور کرده است. در حالی که میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها میلیاردها سال پیش تکامل یافته بودند، اما این طور به نظر می‌رسد که نیتروپلاست حدود ۱۰۰ میلیون سال پیش تکامل یافته و این دیدگاه جدیدتری درباره اندام‌زایی برای دانشمندان ایجاد می‌کند.

اندامک‌ها به علاوه بینش متفاوتی درباره اکوسیستم‌های اقیانوسی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهند. همه موجودات زنده به نیتروژن به صورت قابل استفاده بیولوژیکی نیازمندند و UCYN-A به دلیل توانایی‌اش در درست کردن نیتروژن از جو در سطح جهانی اهمیت بسیار بالایی دارد. محققان UCYN-A را در همه جای دنیا از مناطق استوایی تا اقیانوس منجمد شمالی یافته‌اند و همین مقدار چشمگیری از نیتروژن درست می‌کند.

این کشف به علاوه پتانسیل ایجاد تغییرات شگرفی در دنیای کشاورزی را داراست. توانایی سنتز کودهای آمونیاکی از نیتروژن اتمسفر باعث رشد چشمگیر کشاورزی و جمعیت جهان در اوایل قرن بیستم شد. این فرآیند که تحت عنوان فرآیند هابر- بوش نامیده می‌شود، امکان تولید ۵۰% از موادغذایی جهان را فراهم کرد که در عین حال حجم زیادی دی اکسید کربن نیز ایجاد می‌کند و حدود ۱.۴% از انتشار جهانی دی اکسید کربن به این فرآیند مربوط می‌شود. در طول دهه‌ها، محققان کوشیده‌اند تا راهی برای ترکیب تثبیت نیتروژن طبیعی با کشاورزی پیدا کنند.

کول در این باره گفت: «این سیستم دیدگاه جدیدی درراستای تثبیت نیتروژن ایجاد کرده و می‌تواند سرنخ‌هایی در این رابطه که چگونه چنین اندامکی می‌تواند در گیاهان زراعی مهندسی شود ارائه دهد.»

البته هنوز سوالات زیادی درباره UCYN-A و میزبان جلبکی آن بی پاسخ مانده و دانشمندان درنظر دارند تا تحقیق‌های عمیق‌تری درباره چگونگی عملکرد UCYN-A و جلبک و بررسی سویه‌های مختلف آن انجام دهند.

منبع: phys

227321