ارتباط عجیب میان یک جلبک دریایی و بقای انسان !

غزال زیاری_ تا به امروز در کتاب های زیست شناسی به این نکته اشاره می شد که فقط باکتری ها 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 باکتری های همزیست در گره های ریشه هایشان انجام می دهند. 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 می رود (فرآیندی که طی آن یک سلول پروکاریوتی توسط یک سلول یوکاریوتی غرق شده و فراتر از همزیستی، به یک اندامک تبدیل می شود.)

تایلر کول، محقق فوق دکترای دانشگاه کالیفرنیا و اولین نویسنده یکی از این دو مقاله در این باره گفته: « ایجاد اندامک ها از چنین چیزهایی، بسیار نادر است.» او در ادامه با اشاره به منشاء میتوکندری گفت:« فکر می کنم اولین باری که این اتفاق رخ داد، زندگی پیچیده ای را به وجود آورد. هر چیزی که پیچیده تر 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 می نامند.

یک راز چند دهه ای

کشف این اندامک، مستلزم کمی شانس و چندین دهه کار و تلاش بوده. در سال 1998، جاناتان زهر، استاد علوم دریایی دانشگاه کالیفرنیا، یک توالی DNA کوتاه را در آب دریای اقیانوس آرام پیدا کرد که به نظر می رسید که از یک سیانوباکتری ناشناخته تثبیت کننده نیتروژن است. او و همکارانش سال ها این ارگانیسم مرموز که آن را UCYN-A نامیدند مورد مطالعه قرار دادند.

در همان زمان، کیوکو هاگینو، دیرینه شناس دانشگاه کوچی ژاپن به سختی می کوشید تا یک جلبک دریایی را پرورش دهد که بعدها مشخص شد که این جلبک دریایی ارگانیسم میزبان UCYN-A است. بیش از 300 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 مطالعات شان درباره UCYN-A و میزبان جلبک دریایی اش را همزمان در آزمایشگاه شروع کنند.

دانشمندان سال ها UCYN-A را یک همزیستی درونی می دانستند 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 اندامک ها

در ماه مارس سال 2024، مقاله ای 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 میزبان های جلبکی آنها در گونه های جلبک های دریایی هاپتوفیت Braaudosphaera bigelowii مختلف مشابه است.

محققان برای نشان دادن اینکه رشد سلول میزبان و UCYN-A توسط تبادل مواد مغذی کنترل می شود، 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 اندامک ها هم اتفاق می افتد. اگر به میتوکندری ها و کلروپلاست ها نگاه کنید، دقیقا مشابه هستند: آنها مقیاس شان را با سلول تعیین می کنند.

دانشمندان تا زمانی که سایر شواهد مورد تایید قرار نگرفته بود، نمی توانستند با اطمینان این UCYN-A را اندامک بنامند. در مقاله روی جلد مجله Science، زهر، و دیگر همکارانش از دانشگاه های مختلف، به این نکته اشاره می کنند که UCYN-A پروتیین ها را از سلول های میزبان خود وارد می کند.

زهر دراین رابطه گفت:« این یکی از نشانه های حرکت چیزی از درون همزیستی به یک اندامک است. آنها شروع به دور ریختن تکه های DNA می کنند و ژنوم هایشان کوچک و کوچک تر شده و برای انتقال محصولات ژنی یا خود پروتیین، به سلول مادر وابسته خواهند بود.»

کول برای انجام این مطالعه روی پروتیومیکس کار کرد. او به مقایسه پروتیین های یافت شده در UCYN-A ایزوله شده با پروتیین های یافت شده در کل سلول میزبان جلبک پرداخت و دریافت که سلول میزبان، پروتیین ها را می سازد و سپس آنها را با یک توالی اسید آمینه خالص برچسب گذاری می کند که به سلول بگوید تا آنها را به نیتروپلاست بفرستد. در ادامه نیتروپلاست، پروتیین ها را دریافت کرده و از آنها استفاده می کند. کول عملکرد برخی از این پروتیین ها را شناسایی و مشخص کرد که آنها شکاف های مسیرهای خاصی در UCYN-A را پر می کنند.

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 می کنند.» در همین مقاله محققان نشان دادند که UCYN-A همزمان با سلول جلبک تکثیر می شوند.

تغییر دیدگاه ها

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 میتوکندری ها و کلروپلاست ها میلیاردها سال پیش تکامل یافته بودند، اما این طور به نظر می رسد که نیتروپلاست حدود 100 میلیون سال پیش تکامل یافته و این دیدگاه جدیدتری درباره اندام زایی برای دانشمندان ایجاد می کند.

اندامک ها به علاوه بینش متفاوتی درباره اکوسیستم های اقیانوسی در اختیار دانشمندان قرار می دهند. همه موجودات زنده به نیتروژن به صورت قابل استفاده بیولوژیکی نیازمندند و UCYN-A به دلیل توانایی اش 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 یافته اند و همین مقدار چشمگیری از نیتروژن درست می کند.

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 می شود، امکان تولید 50% از موادغذایی جهان را فراهم کرد که در عین حال حجم زیادی دی اکسید کربن نیز ایجاد می کند و حدود 1.4% از انتشار جهانی دی اکسید کربن به این فرآیند مربوط می شود. در طول دهه ها، محققان کوشیده اند 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 می تواند سرنخ هایی در این رابطه که چگونه چنین اندامکی می تواند در گیاهان زراعی مهندسی شود ارایه دهد.»

البته هنوز سوالات زیادی درباره UCYN-A و میزبان جلبکی آن بی پاسخ مانده و دانشمندان درنظر دارند تا تحقیق های عمیق تری درباره چگونگی عملکرد UCYN-A و جلبک و بررسی سویه های مختلف آن انجام دهند.

منبع: phys

227321