İki Türün Kaynaşması: Nitroplast İsimli Yeni Organel, Endosimbiyotik Teori'yi Bir Kez Daha Doğruladı!

Modern biyoloji ders kitapları, yalnızca bakterilerin atmosferden azotu alıp yaşam için kullanılabilir bir forma dönüştürebileceğini iddia eder. Baklagiller gibi azotu sabitleyen bitkiler, bunu kök nodüllerinde simbiyotik bakteriler barındırarak yaparlar. Ancak yeni bir keşif, bu kuralı altüst ediyor.

2024 yılında yayınlanan iki makalede, uluslararası bir bilim ekibi ökaryotik bir hücre içinde bilinen ilk azot sabitleyici organeli tanımlıyor. Bu organel, prokaryotik bir hücrenin ökaryotik bir hücre tarafından yutulduğu ve simbiyozun ötesinde bir organele dönüştüğü süreç olan birincil endosimbiyozun tarihteki dördüncü örneğidir. UC Santa Cruz'da doktora sonrası araştırmacı ve son iki makaleden birinin ilk yazarı olan Tyler Coale şöyle anlatıyor:

Organellerin bu tür şeylerden ortaya çıkması çok nadirdir. Bunun gerçekleştiğini düşündüğümüz ilk birleşmede, bu kaynaşma [mitokondrinin ökaryotik hücrelere dahil oluşu], karmaşık yaşamın tamamının ortaya çıkmasına neden oldu. Bir bakteri hücresinden daha karmaşık olan her şey varlığını bu olaya borçludur. Benzer bir kaynaşma, bir milyar yıl kadar önce, kloroplast ile tekrar oldu ve bitkiler bu sayede mümkün oldu.

Bilinen üçüncü örnek, Paulinella chromatophora adlı bir amip türünde bulunan "kromatofor" adı verilen başka bir kloroplast benzeri yapıda, milyarlarca yıl önce evrimleşmiştir. Dördüncü ve son keşifteki organelse, nitroplast olarak adlandırılmıştır.

On Yıllardır Süren Bir Gizem!

Organelin keşfi biraz şans ve onlarca yıllık bir çalışma gerektirdi. 1998 yılında UC Santa Cruz'da deniz bilimleri profesörü olan Jonathan Zehr, Pasifik Okyanusu deniz suyunda bilinmeyen bir azot sabitleyici siyanobakteriye ait olduğu anlaşılan kısa bir DNA dizisi buldu. Zehr ve meslektaşları, UCYN-A adını verdikleri bu gizemli organizmayı incelemek için yıllarını harcadı.

Aynı zamanda, Japonya'daki Kochi Üniversitesi'nde paleontolog olan Kyoko Hagino, özenle bir deniz algini kültüre almaya çalışıyordu. Bu algin, UCYN-A için konak bir organizma olduğu ortaya çıktı. Hagino'nun 300'den fazla örnekleme gezisi ve on yıldan fazla zamanını aldı, ancak Hagino sonunda algleri kültürde başarılı bir şekilde büyüttü ve diğer araştırmacıların UCYN-A ve deniz algi konakçısını laboratuvarda birlikte incelemeye başlamasına izin verdi.

Bilim insanları yıllarca UCYN-A'yı bir algle yakından ilişkili bir "endosimbiyont" (başka bir organizmanın vücudunda veya hücrelerinde mutualistik veya bağımlı bir ilişki içinde yaşayan bir organizma) olduğunu düşündüler. Ancak son iki makale, UCYN-A'nın simbiyozdan sonra ev sahibi ile birlikte evrimleştiğini ve artık bir organel kriterlerine uyduğunu göstermektedir.

Organellerin Kökenleri

Mart 2024'te Cell dergisinde yayınlanan bir makalede, Zehr ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden meslektaşları, Barselona'daki Institut de Ciències del Mar ve Rhode Island Üniversitesi'nden diğer bilim insanlarıyla ele ele vererek, UCYN-A ve alg konakçıları arasındaki boyut oranının, deniz haptofit algleri Braarudosphaera bigelowii'nin farklı türleri arasında benzer olduğunu göstermektedir.^[1]

Cell

Araştırmacılar, konak hücrenin ve UCYN-A'nın büyümesinin besin alışverişi ile kontrol edildiğini göstermek için bir model kullanıyorlar. Yani bu organizmaların metabolizmaları birbiriyle bağlantılı. Büyüme oranlarındaki bu senkronizasyon, araştırmacıların UCYN-A'yı "organel benzeri" olarak adlandırmasına yol açtı. Zehr, şöyle anlatıyor:

Organellerde olan şey tam olarak budur. Mitokondri ve kloroplasta bakarsanız, aynı şeyi görürsünüz: hücreyle birlikte ölçeklenirler.

Ancak bilim insanları, diğer kanıtları doğrulayana kadar UCYN-A'yı resmen bir "organel" olarak adlandırmadılar.

Nisan 2024'te yayınlanan Science dergisinin kapak makalesindeyse, UC Santa Cruz ekibi ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab), UC San Francisco, Ulusal Tayvan Okyanus Üniversitesi ve Japonya'daki Kochi Üniversitesi'nden bilim insanları, UCYN-A'nın konak hücrelerinden gelen proteinlere dayandığını ve organelin replikasyon ve bölünme sürecinin alg hücresinin süreciyle sıkı bir şekilde eşleştirildiğini gösterdiler.^[2] Berkeley Laboratuvarı Biyobilimler Alanı'nda kıdemli bir bilim insanı ve Ulusal X-Işını Tomografi Merkezi Direktörü olan ortak yazar Carolyn Larabell şöyle anlatıyor:

Bu makaleye kadar, bunun hala bir 'endosimbiyont' mu yoksa gerçek bir organel mi olduğu sorusu vardı. X-ışını görüntülemesiyle, alg konakçısının ve endosimbiontunun çoğalma ve bölünme sürecinin senkronize olduğunu gösterdik ve bu da ilk güçlü kanıtı sağladı.

Larabell, Berkeley Lab'ın X-ışınları üreten bir parçacık hızlandırıcısı olan Gelişmiş Işık Kaynağı'nda birlikte geliştirdiği "gelişmiş yumuşak X-ışını tomografi" yaklaşımını kullanarak UCYN-A ve alg arasındaki ilişkiyi incelemek için birkaç yıldır Zehr ile işbirliği yapıyor. Loconte'nin tekniği, bilim insanlarının gerçek yaşam koşulları altında hücrelerin iç bileşenlerini gerçek zamanlı olarak hızla görselleştirmelerine olanak tanıyor.

Larabell'in grubunda araştırma görevlisi olan Valentina Loconte, tomografiyi çok sayıda B. bigelowii hücresi üzerinde gerçekleştirdi, ardından verileri analiz ederek organelin yosun içindeki hareketlerini çoğalmanın tüm aşamalarında gösteren ayrıntılı görüntüler oluşturdu. Larabell, şöyle diyor:

Teknolojimizin güzelliği de bu. Nicel ifadelerde bulunmak için sayılar elde edebiliyoruz. Bunun bir tuhaflık olmadığını göstermek için hücre döngüsünün her aşamasında sayılarımız var.

Bu arada Coale, izole UCYN-A'da bulunan proteinleri tüm alg konak hücresinde bulunanlarla karşılaştırdı. UCYN-A'daki proteinlerin yaklaşık yarısının alg konakçı hücresi tarafından yapıldığını, daha sonra hücreye onları nitroplast'a göndermesini söyleyen belirli bir amino asit dizisi ile etiketlendiğini buldu. Nitroplast, daha sonra proteinleri alıyor ve kullanıyordu. Zehr, şöyle anlatıyor:

Bu, bir endosimbiyonttan bir organele geçen bir şeyin ayırt edici özelliklerinden biridir. Endosimbiyontlar, bir noktada DNA parçalarını atmaya başlarlar ve genomları gittikçe küçülür ve bu gen ürünlerinin (ya da proteinin kendisinin) hücreye taşınması için ana hücreye bağımlı olmaya başlarlar.

Bu bağımlı ilişki, senkronize bölünme görüntüleriyle birlikte ele alındığında, UCYN-A'nın organel statüsünü hak ettiğini gösteriyor.

Değişen Perspektifler

Mitokondri ve kloroplastlar milyarlarca yıl önce evrimleşti. Nitroplastınsa yaklaşık 100 milyon yıl önce evrimleştiği görülüyor ve bilim insanlarına organellogenez konusunda yeni ve daha yakın bir bakış açısı sağlıyor.

Organel, aynı zamanda okyanus ekosistemleri hakkında da fikir veriyor. Tüm organizmalar biyolojik olarak kullanılabilir bir formda azota ihtiyaç duyar ve atmosferdeki sıkıca bağlı azot gazını (N₂) parçalamak ve daha sonra sayısız başka bileşiğe dönüştürülebilecek amonyak (NH₃) moleküllerine dönüştürmek için "azot fiksatörleri"ne ("azot bağlayıcı bakterilere") muhtaçtır. Araştırmacılar, UCYN-A'yı tropik bölgelerden Arktik Okyanusu'na kadar her yerde buldular ve görünen o ki bu organel, önemli miktarda azotu sabitliyor.

Bu keşif, aynı zamanda tarımı da değiştirme potansiyeline sahip. Atmosferik azottan amonyaklı gübre sentezleme yeteneği, 20. yüzyılın başlarında tarımın (ve dünya nüfusunun) yükselmesini sağladı. "Haber-Bosch süreci" olarak bilinen bu süreç, günümüzde dünya gıda üretiminin yaklaşık %50'sini mümkün kılmaktadır. Bu süreç, aynı zamanda muazzam miktarlarda da karbondioksit yaratıyor: küresel emisyonların yaklaşık %1,4'ü, sırf bu süreçten kaynaklanıyor. Araştırmacılar, on yıllardır doğal azot fiksasyonunu tarıma dahil etmenin bir yolunu bulmaya çalışıyorlar. Coale, şöyle anlatıyor:

Bu sistem azot fiksasyonuna yeni bir bakış açısı ve böyle bir organelin ekin bitkilerinde nasıl tasarlanabileceğine dair ipuçları sağlayabilir.

Ancak UCYN-A ve onun alg konağı hakkında pek çok soru hâlâ cevapsız. Araştırmacılar UCYN-A ve alglerin nasıl çalıştığını daha derinlemesine incelemeyi ve farklı türler üzerinde çalışmayı 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 organizmalar da bulmasını bekliyor, ancak türünün ilk örneği olan bu keşif, ders kitaplarına girecek nitelikte.