Modern biyoloji ders kitaplarına göre, sadece bakteriler atmosferden azot çekebilir ve onu yaşamı destekleyebilecek bir forma dönüştürebilir. Baklagiller gibi azot sabitleyen bitkiler ise bunu kök nodüllerinde simbiyotik bakterileri depolayarak yaparlar. Ancak yeni bir keşif bu kurala meydan okuyor.
Yakın zamanda yapılan iki çalışmada, uluslararası bir araştırma ekibi ökaryotik bir hücrede bulunan ilk azot sabitleyici organeli keşfetti. Bu organel, prokaryotik bir hücrenin ökaryotik bir hücre tarafından yutulduğu ve simbiyozdan bir organele dönüştüğü süreç olan birincil endosimbiyozun tarihteki dördüncü örneğidir.
UC Santa Cruz’da doktora sonrası bilim insanı ve son iki makaleden birinin ilk yazarı olan Tyler Coale, organellerin bu tür şeylerden oluşmasının oldukça nadir olduğunu söyledi.
Bunun ilk kez gerçekleştiğine inandığımızda, tüm karmaşık yaşamı doğurdu. Mitokondrinin kökenine atıfta bulunarak, bir bakteri hücresinden daha karmaşık olan her şeyin bu olay sayesinde var olduğunu belirtti. Coale, yaklaşık bir milyar yıl önce, bize bitkileri veren kloroplast ile tekrar gerçekleştiğini açıkladı.
Bilinen üçüncü örnek ile, kloroplast benzeri bir mikroorganizmayı içeriyor. Araştırmacılar, nitroplast olarak adlandırdıkları azot sabitleyici organelin ilk örneğini keşfettiler.
Organelin keşfi için şans ve onlarca yıllık çabanın bir araya gelmesi gerekti. 1998 yılında, Kaliforniya Üniversitesi’nden Prof. Jonathan Zehr, Pasifik Okyanusu tuzlu suyunda bilinmeyen bir azot sabitleyici siyanobakteriden kısa bir DNA dizisi keşfetti. Zehr ve meslektaşları UCYN-A olarak bilinen bu gizemli yaratığı araştırmak için yıllarını harcadı.
Aynı zamanda Kochi Üniversitesi’nde paleontolog Hagino da bir deniz yosunu yetiştirmeye çalışıyordu. UCYN-A’nın ev sahibi olduğu ortaya çıktı. Hagino, 300’den fazla numune keşfi ve on yıldan uzun bir sürenin ardından algleri başarılı bir şekilde kültüre aldı ve diğer araştırmacıların UCYN-A’yı ve onun deniz algi konağını laboratuvarda incelemeye başlamasına olanak sağladı.
Uzun yıllar boyunca bilim insanları UCYN-A’yı bir alg ile yakından ilişkili bir endosimbiont olarak düşünmüşlerdir. Ancak, son zamanlarda yayınlanan iki makale UCYN-A’nın simbiyoz sırasında konakçısıyla birlikte evrimleştiğini ve artık bir organel kriterlerini karşıladığını göstermektedir.
Zehr ve MIT, Barselona’daki Institut de Ciències del Mar ve Rhode Island Üniversitesi’nden meslektaşları, Mart 2024’te Cell’de yayınladıkları makalede, UCYN-A ve onların alg konakları arasındaki boyut oranının, deniz haptofit algleri Braarudosphaera bigelowii’nin farklı türleri arasında benzer olduğunu gösteriyor.
Araştırmacılar, besin alışverişinin hem konak hücrenin hem de UCYN-A’nın büyümesini düzenlediğini göstermek için bir model kullanıyor. Metabolizmaları birbiriyle ilişkili.
Büyüme oranlarındaki senkronizasyon nedeniyle araştırmacılar UCYN-A’yı “organel benzeri” olarak adlandırdı.
“Zehr sözlerine şöyle devam etti: “Organellerde olan da tam olarak budur. “Mitokondri ve kloroplasta bakarsanız, aynı şeyi görürsünüz: hücreyle birlikte ölçeklenirler.”
Bununla birlikte, bilim insanları diğer kanıtlar doğrulanana kadar UCYN-A’yı bir organel olarak güvenilir bir şekilde sınıflandırmadılar.
UC Santa Cruz’dan Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo ve Wing Kwan Esther Mak, California Üniversitesi, San Francisco, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, Ulusal Tayvan Okyanus Üniversitesi ve Japonya’daki Kochi Üniversitesi’nden işbirlikçilerle birlikte, bugün Science dergisinde yayınlanan kapak makalesinde UCYN-A’nın konak hücrelerinden proteinleri ithal ettiğini gösteriyor.
Zehr’e göre bu, bir şeyin endosimbionttan organele geçişinin işaretlerinden biri.
DNA parçalarını atmaya başlarlar ve genomları giderek küçülür ve gen ürünlerini -ya da proteinin kendisini- hücrelere taşımak için ana hücreye güvenmeye başlarlar.
Coale çalışma için proteomiklerle ilgilendi. İzole UCYN-A’da bulunan proteinleri alg konak hücresinde bulunanlarla eşleştirdi. Konak hücrenin proteinler ürettiğini ve bunları belirli bir amino asit dizisiyle etiketleyerek hücreye bunları nitroplast’a taşıması talimatını verdiğini keşfetti. Nitroplast daha sonra proteinleri alır ve kullanır. Coale, belirli UCYN-A yollarındaki boşlukları dolduran bazı proteinlerin rolünü buldu.
Zehr bunu birbirine uyan ve çalışan mucizevi bir yapboz olarak tanımladı.
Aynı çalışmada UCSF araştırmacıları UCYN-A’nın alg hücresiyle senkronize bir şekilde çoğaldığını ve diğer organellere benzer şekilde kalıtıldığını göstermiştir.
Bu farklı kanıtlar UCYN-A’nın bir simbiyont rolünün ötesine geçtiğine dair çok az şüphe bırakıyor. Mitokondri ve kloroplastlar milyarlarca yıl önce oluşurken, nitroplast yaklaşık 100 milyon yıl önce ortaya çıkmış gibi görünmekte ve bilim insanlarına organelogenez konusunda yeni ve daha yakın bir bakış açısı kazandırmaktadır.
Organel ayrıca okyanus ekosistemleri hakkında da bilgi sunuyor. Tüm organizmalar biyolojik olarak yararlı bir formda azota ihtiyaç duyar ve UCYN-A atmosferden azotu sabitleme kabiliyeti nedeniyle küresel olarak gereklidir.
Araştırmacılar tropik bölgelerden Arktik Okyanusu’na kadar her yerde keşfettiler ve büyük miktarda nitrojen sabitliyor.
“Bu sadece başka bir oyuncu değil,” diye açıklıyor Zehr.
Bu keşif tarımı dönüştürme potansiyeline sahip. Atmosferik azottan amonyaklı gübre üretme becerisi, yirminci yüzyılın başlarında tarımın ve küresel nüfusun patlama yapmasını sağladı. Haber-Bosch süreci küresel gıda üretiminin yaklaşık %50’sinden sorumludur. Aynı zamanda büyük miktarlarda karbondioksit üretir: süreç dünya emisyonlarının yaklaşık %1,4’ünü oluşturur. Araştırmacılar onlarca yıldır doğal azot fiksasyonunun tarıma nasıl dahil edilebileceğini anlamaya çalışıyorlar.
Coale’ye göre bu mekanizma azot fiksasyonu konusunda benzersiz bir bakış açısı sunuyor ve böyle bir organelin kültür bitkilerinde nasıl tasarlanabileceğine dair fikir verebilir.
UCYN-A ve onun alg konağı hakkındaki pek çok soru hala çözülmemiş durumda. Araştırmacılar, UCYN-A ve alglerin nasıl işlediğine dair daha fazla araştırma yapmayı ve çeşitli türleri keşfetmeyi planlıyor.
UC Santa Cruz’da yardımcı doçent olan Kendra Turk-Kubo, araştırmaya yeni laboratuvarında devam edecek. Zehr, bilim insanlarının UCYN-A’ya benzer evrimsel hikayeleri olan başka canlıları da ortaya çıkarmasını bekliyor, ancak türünün ilk örneği olarak bu keşif ders kitaplarında yer alıyor.
Kaynak: phys.org/news