ارتباط عجیب جلبک و بقای انسان!

نیتروژن یکی یکی از عناصر مورد نیاز در جهان است و نقش تعیین کننده ای در عرصه های مختلف زندگی بشر از جمله کشاورزی دارد.

به گزارش مگتو، تا به امروز در کتاب های زیست شناسی ذکر شده است که فقط باکتری ها توانایی جذب نیتروژن از جو و استفاده از آن را برای زندگی دارند. برخی از گیاهان، مانند حبوبات، توانایی تثبیت نیتروژن را با نگهداری باکتری های همزیست در گره های ریشه خود دارند. اما کشف اخیر دانشمندان داستان دیگری را بیان می کند.

در دو مقاله اخیراً منتشر شده، یک تیم بین المللی از دانشمندان اولین اندامک ثابت کننده نیتروژن شناخته شده را در یک سلول یوکاریوتی توصیف کردند. اندامک در واقع چهارمین نمونه در تاریخ اندوسیمبیوز اولیه است (فرآیندی که در آن یک سلول پروکاریوتی توسط یک سلول یوکاریوتی غرق می شود و پس از همزیستی به اندامک تبدیل می شود).

تایلر کول، محقق فوق دکتری UCLA و نویسنده اصلی یکی از این دو مقاله می فرماید: ساختن اعضا از این گونه چیزها بسیار نادر است.

او در مورد منشا میتوکندری گفت: فکر می‌کنم زمانی که این اتفاق برای اولین بار رخ داد، زندگی پیچیده‌تری را به وجود آورد. این رویداد حدود یک میلیارد سال پیش دوباره در کلروپلاست اتفاق افتاد و به ما گیاهان داد.

سومین مثال شناخته شده یک میکروب کلروپلاست مانند است. آخرین کشف اولین نمونه از اندامک تثبیت کننده نیتروژن است که محققان آن را نیتروپلاست می نامند.

رازی چند دهه ای

کشف این اندام کمی شانس و چندین دهه کار و تلاش را طلب کرد. در سال 1998، جاناتان زهر، استاد علوم دریایی در دانشگاه کالیفرنیا، توالی DNA کوتاهی را در آب دریای اقیانوس آرام یافت که به نظر می رسید از یک سیانوباکتری ناشناخته تثبیت کننده نیتروژن می آید. او و همکارانش سال ها روی این موجود اسرارآمیز که آن را UCYN-A نامیدند، مطالعه کردند.

در همان زمان، کیوکو هاگینو، دیرینه شناس دانشگاه کوچی در ژاپن، به شدت روی کشت جلبکی کار می کرد که بعدها مشخص شد که ارگانیسم میزبان UCYN-A است.

بیش از 300 نمونه برداشته شد و مطالعه بیش از یک دهه به طول انجامید، اما هاگینو در نهایت موفق به کشت جلبک شد و به محققان دیگر اجازه داد تا همزمان مطالعات خود را بر روی UCYN-A و میزبان جلبک آن انجام دهند.

برای سال‌ها، دانشمندان فکر می‌کردند UCYN-A یک همزیستی درونی است که نزدیک به جلبک‌ها است. با این حال، دو مقاله جدید نشان می دهد که UCYN-A از یک همزیستی قبلی با میزبان خود تکامل یافته است و اکنون معیارهای یک اندامک را برآورده می کند.

منشا اندامک ها

در مارس 2024، مقاله‌ای در مجله Cell منتشر شد که در آن Zehr و همکارانش از موسسه فناوری ماساچوست، موسسه علوم دریایی بارسلونا و دانشگاه رود آیلند نشان دادند که رابطه اندازه بین UCYN-A و میزبان جلبک‌های آنها در هاپتوفیت انواع جلبک Braudosphaera bigelowii مختلف مشابه هستند.

با استفاده از یک مدل، محققان نشان دادند که رشد سلول میزبان و UCYN-A توسط تبادل مواد مغذی کنترل می شود. متابولیسم آنها به هم پیوسته بود و این هماهنگی سرعت رشد باعث شد که محققان UCYN-A را «شبه اندام» بنامند.

به گفته زهر، این دقیقاً همان چیزی است که با اندامک ها اتفاق می افتد. اگر به میتوکندری ها و کلروپلاست ها نگاه کنید، دقیقاً یکسان هستند: آنها با سلول مقیاس می شوند.

دانشمندان با اطمینان نمی توانستند این UCYN-A را یک اندامک بنامند تا زمانی که شواهد دیگر تایید شود. زهر و همکارانش از دانشگاه‌های مختلف در مقاله‌ای روی جلد Science اشاره می‌کنند که UCYN-A پروتئین‌ها را از سلول‌های میزبان خود وارد می‌کند.

زهر در این باره گفت: «این یکی یکی از نشانه های حرکت چیزی از همزیستی به اندامک است. آنها شروع به ریختن قطعات DNA می کنند، ژنوم آنها کوچکتر و کوچکتر می شود و برای انتقال محصولات ژنی یا خود پروتئین به سلول مادر وابسته می شوند.

برای انجام این مطالعه، کول روی پروتئومیکس کار کرد. او پروتئین‌های موجود در UCYN-A جدا شده را با پروتئین‌های کل سلول میزبان جلبک مقایسه کرد و دریافت که سلول میزبان پروتئین‌ها را می‌سازد و سپس آنها را با یک توالی اسید آمینه تمیز برچسب‌گذاری می‌کند که به سلول دستور می‌دهد آنها را به نیتروپلاست بفرستد.

در مرحله بعد، نیتروپلاست پروتئین ها را دریافت کرده و از آنها استفاده می کند. کول عملکرد برخی از این پروتئین ها را شناسایی کرد و دریافت که آنها شکاف های مسیرهای سیگنال دهی خاصی را در UCYN-A پر می کنند.

زوهر ادامه داد: “این مانند نوعی پازل جادویی است که در آن قطعات در واقع با هم قرار می گیرند و با هم کار می کنند.”

تغییر نماها

این خطوط مستقل شواهد هیچ شکی باقی نمی گذارد که UCYN-A از نقش یک همزیست فراتر رفته است. در حالی که میتوکندری ها و کلروپلاست ها میلیاردها سال پیش تکامل یافته اند، به نظر می رسد که نیتروپلاست حدود 100 میلیون سال پیش تکامل یافته است که به دانشمندان دیدگاه جدیدی در مورد اندام زایی می دهد.

اندامک ها همچنین بینش متفاوتی از اکوسیستم های اقیانوسی به دانشمندان ارائه می دهند. همه موجودات زنده به نیتروژن به شکل زیستی نیاز دارند و UCYN-A به دلیل توانایی آن در تثبیت نیتروژن از جو از اهمیت جهانی بالایی برخوردار است. محققان UCYN-A را در سرتاسر جهان، از مناطق استوایی گرفته تا اقیانوس منجمد شمالی، پیدا کرده اند و مقدار قابل توجهی نیتروژن تولید می کند.

این کشف همچنین پتانسیل ایجاد تغییرات عظیم در دنیای کشاورزی را دارد. توانایی سنتز کود آمونیاک از نیتروژن اتمسفر منجر به رشد چشمگیری در کشاورزی و جمعیت جهان در اوایل قرن بیستم شد.

این فرآیند که فرآیند هابر-بوش نامیده می شود، امکان تولید 50 درصد مواد غذایی جهان و مقدار زیادی از آن را همزمان فراهم می کند. دی همچنین دی اکسید کربن تولید می کند و مسئول حدود 1.4 درصد از انتشار جهانی است دی مونوکسید کربن در این فرآیند نقش دارد. برای دهه ها، محققان در تلاش برای یافتن راهی برای ترکیب تثبیت نیتروژن طبیعی با کشاورزی بوده اند.

کول می‌گوید: «این سیستم دیدگاه جدیدی در تثبیت نیتروژن ارائه می‌دهد و می‌تواند سرنخ‌هایی در مورد چگونگی ترکیب چنین اندامکی در گیاهان زراعی ارائه دهد.»

البته هنوز سوالات بی‌پاسخ زیادی در مورد UCYN-A و میزبان جلبک‌های آن وجود دارد و دانشمندان قصد دارند تحقیقات عمیق‌تری در مورد نحوه عملکرد UCYN-A و جلبک‌ها و مطالعه سویه‌های مختلف انجام دهند.