کشف ژن های نیتروژناز در باکتری های همزیست با دیاتوم ها

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، نیتروژن برای تمام حیات روی زمین ضروری است. موجودات زنده از آن برای ساخت اسیدهای آمینه و اسیدهای نوکلئیک - بلوک های سازنده پروتئین ها و DNA - در میان مولکول های حیاتی دیگر استفاده می کنند. چهار پنجم جو از نیتروژن تشکیل شده است. متأسفانه، به شکل گازی بی اثر است و از نظر بیولوژیکی در دسترس نیست: هر اتم نیتروژن با یک پیوند سه گانه به دیگری قفل می شود که شکستن آن انرژی فوق العاده ای می طلبد. بدون مداخله، سلول های روی زمین یا دریا نمی توانند به این منبع جوی دسترسی داشته باشند.

برنهارد تشیچکو، میکروبیولوژیست در موسسه میکروبیولوژی دریایی ماکس پلانک، می گوید: ما آن را تنفس می کنیم، و آن را بیرون می دهیم، اما نمی توانیم کاری با آن انجام دهیم. در زندگی روی زمین، نیتروژن یکی از عناصری است که رشد را کنترل می کند.

پس چگونه موجودات زنده به این عنصر ضروری دسترسی دارند؟ آنها به چند باکتری منتخب با استعداد ویژه متکی هستند: توانایی تبدیل گاز نیتروژن (N2) به آمونیاک (NH3)، فرآیندی که به عنوان تثبیت شناخته می شود، که عنصر را برای زندگی در دسترس قرار می دهد. همه گونه های باکتریایی که می توانند پیوند سه گانه گاز نیتروژن را بشکنند این کار را با استفاده از همان پروتئین انجام می دهند: نیتروژناز. هر بار که یک مولکول N2 به طور طبیعی در هر نقطه از زمین به NH3 تبدیل می شود، به دلیل نیتروژناز است. اهمیت این پروتئین در قدمت آن منعکس می شود: نیتروژناز حدود 3.2 میلیارد سال پیش در چیزی که محققان آن را یکی از مهم ترین نوآوری های بیوژئوشیمیایی در طول تاریخ حیات می نامند، پدیدار شد.

برای چندین دهه، دانشمندان تنها از یک جنس آگاه بودند، سیانوباکتری فیلامنتی شکل Trichodesmium، که به نظر می رسید اساساً مسئول کل نیتروژن ثابت در اقیانوس است. سپس، در دهه های 1990 و 2000، فناوری های جدید و ارزان قیمت به محققان اجازه دادند تا یک سطل آب دریا را جمع آوری کنند و DNA همه موجوداتی که در آنجا زندگی می کنند را توالی بندی کنند. در کمال تعجب، دانشمندان شروع به کشف ژن های نیتروژناز در اقیانوس کردند که نمی توانست از Trichodesmium یا هر سیانوباکتری دیگری به وجود آمده باشد. ارگانیسم دیگری، یا به احتمال زیاد، بسیاری از موجودات، نیتروژن را نیز تثبیت می کردند.

جاناتان زهر، میکروبیولوژیست محیطی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، می گوید احتمالاً صدها ژن مختلف نیتروژناز غیر سیانوباکتری در متاژنوم اقیانوس وجود دارد. اما محققان نتوانستند موجوداتی را که این نیتروژنازهای بیگانه را در خود جای داده اند شناسایی کنند. آنها نام چتر (گاما A) را به باکتری های غیر تریکودسمیوم دادند تا زمانی که محققان آینده بتوانند آنها را شناسایی کنند.

Tschitschko گفت: ما هیچ چیز در مورد این موجودات نمی دانیم، آنها چه کسانی هستند یا اینکه آیا آنها حتی نیتروژن را تصحیح می کنند یا خیر. تنها چیزی که در مورد آنها شناخته شده بود توالی نیتروژناز بود.

در مقاله ای اخیر در نیچر، Tschitschko و همکارانش کشف دو مورد از این موجودات گاما A را گزارش کردند - باکتری های نزدیک به هم که در سراسر اقیانوس های جهان زندگی می کنند و شبکه غذایی را با نیتروژن تامین می کنند، در حالی که تریکودسمیوم ندارد. باکتری ها به تنهایی کار نمی کنند: آنها به طور محکم در داخل دیاتوم ها، یک فیتوپلانکتون میکروسکوپی فراوان، قرار دارند که نیتروژن را با مسکن و انرژی مبادله می کنند. بر اساس تجزیه و تحلیل DNA، رابطه همزیستی - همکاری دوجانبه سودمند بین دو ارگانیسم مستقل - آنقدر تنگ است که باکتری ممکن است در مسیر تبدیل شدن به بخشی دائمی از بدن دیاتوم ها به عنوان یک اندامک سلولی جدید باشد.

نیتروژن در خشکی توسط باکتری های ریزوبیا rhizobia تثبیت می شود که به صورت همزیستی در گره هایی روی ریشه گیاهان حبوبات زندگی می کنند. ژن گاما A برای نیتروژناز مربوط به ژن موجود در ریزوبیا است که نشان دهنده یک رابطه ژنتیکی باستانی بین دو مشارکت همزیستی است که زندگی در خشکی و دریا را امکان پذیر می کند.

Tschitschko تنها چند ماه در آزمایشگاه جدید خود در مؤسسه ماکس پلانک برای میکروبیولوژی دریایی کار می کرد که برای کشف گاما A به یک سفر اکتشافی رفت. او می دانست که این کار آسانی نخواهد بود. در هر سطل آب، ممکن است میلیون ها یا میلیاردها سلول میکروبی وجود داشته باشد و تنها صدها سلول ممکن است نیتروژن را برطرف کنند.

ماهیگیری با سطل تقریباً همان کاری بود که Tschitschko و تیمش انجام دادند: آنها یک rosette CTD - مجموعه ای از بطری های بزرگ، باز اما قابل آب بندی در هر دو انتها - را به اقیانوس انداختند تا آب را در اعماق مختلف جذب کنند. بعداً، در مخازن آویزان در کنار کشتی هایشان، هر نمونه را با یک ایزوتوپ کم رادیواکتیو نیتروژن مخلوط کردند. هر سلولی که در عرض 24 ساعت رادیواکتیو شده است باید بتواند نیتروژن را تثبیت کند و آن را در پروتئین ها و DNA خود بگنجاند.

تصویر1: محققان از حیات میکروبی در غرب استوایی اقیانوس اطلس شمالی با استفاده از یک CTD rosette- که اساساً یک سطل با تکنولوژی بالا است - نمونه برداری کردند که در حین اندازه گیری در اعماق مختلف اقیانوس از آب نمونه برداری می کند.

در باکتری رادیواکتیو، Tschitschko و همکارانش نسخه گاما A از ژن نیتروژناز را شناسایی کردند. با این حال، ژن در یک محیط ژنومی عجیب و غریب قرار داشت. هنگامی که آنها DNA باکتری گاما A را توالی یابی کردند، بیشتر ژنوم آن نمونه ای از باکتری های پراکنده جهانی به نام آلفاپروتئوباکتری ها بود. ژن نیتروژناز آن، با این حال، از نظر طبقه بندی با ریزوبیاهای مستقر در زمین مرتبط بود.

آنها با استفاده از تکنیک های ژنتیکی، DNA ریزوبیا را به یک دیاتوم دریایی - یکی از جلبک های میکروسکوپی فتوسنتزی دریا - از جنس Haslea ردیابی کردند. داخل هر دیاتوم چهار تا هشت سلول باکتری وجود داشت. مشخص شد که این سلول ها دو گونه باکتریایی هستند که محققان آن ها را Tectiglobus diatomicola و Tectiglobus profundi نامیدند.

دیاتومه های Haslea برای ایجاد انرژی فتوسنتز می کنند. سپس مقداری از این انرژی را به Tectiglobus می دهند که دیاتوم ها را با نیتروژن تامین می کند.

این منعکس کننده رابطه بین ریزوبیا و حبوبات در خشکی است که در آن باکتری ها در ازای کربوهیدرات، نیتروژن به گیاه می دهند. به نوعی، این ژن نیتروژناز راه خود را به دو گروه باکتریایی پیدا کرد - و هر دو به ایجاد روابط همزیستی با ارگانیسم های میزبان بسیار متفاوت ادامه دادند که برای تامین نیتروژن به شبکه های غذایی بسیار مهم است.

برای باز کردن این تاریخچه های پیچیده، محققان درختان تکاملی را برای باکتری های ریزوبیا و تکتی گلوبوس بازسازی کردند. نتایج نشان داد که هر دو گروه ژن باستانی نیتروژناز را از باکتری های دیگر از طریق انتقال افقی ژن در نقاط مختلف تاریخ تکامل خود به دست آوردند.

تصویر2: چهار سلول باکتری Tectiglobus با برچسب سبز در داخل یک دیاتوم شیشه ای (که هسته آن به رنگ آبی روشن نشان داده شده است) قرار دارند. شرکا برای تولید نیتروژن، که از طریق شبکه غذایی عبور می کند، همکاری می کنند.

Tectiglobus در حال انجام کارهای بیوشیمیایی مهمی در اقیانوس است. محققان تخمین زدند که Tectiglobus در حال تثبیت نیتروژن با کمی کمتر از نصف میزان Trichodesmium است، سیانوباکتری که قبلا تصور می شد بر تثبیت نیتروژن اقیانوسی غالب است. و شرکای Tectiglobus-diatom در اقیانوس های سراسر جهان یافت می شوند. به نظر می رسد این رابطه نشان دهنده بخش قابل توجهی از تثبیت نیتروژن در زمین باشد.

منطقی است که یک دیاتوم بخواهد منبع نیتروژن داخلی را حمل کند: اقیانوس یک بیابان است. مواد مغذی کمیاب هستند و بیشتر میکروب ها در حالت گرسنگی دائمی هستند. یک دیاتوم فتوسنتز کننده با منبع انرژی نامحدود خود، اما با نیاز به نیتروژن، ترتیب امن و مفیدی را به Tectiglobus ارائه کرد.

آنجلیک وایت، اقیانوس شناس دانشگاه هاوایی که در این کار نقشی نداشت، گفت: این راهی است که این دیاتوم کوچک تنها و منزوی می تواند نیازهای خود را برآورده کند. آنها از خشکی دور هستند آنها از منابع مواد مغذی دور هستند. و بنابراین این موجودات باید به نحوی سازگار شوند.

اما چیدمان دقیقا چیست؟ بویی از یک رابطه همزیستی پایدار دارد، اما این امکان نیز وجود دارد که Tschitschko باکتری ها را در میانه گذار به اندامک های کامل گرفته باشد، در این صورت آنها دیگر یک ارگانیسم مستقل نیستند.

این همان سناریویی است که میتوکندری و کلروپلاست را تولید می کند: هر دو اندامک قبلاً باکتری های آزاد بودند که همزیست سلول های بزرگ تر شدند و در نهایت به طور دائمی به آنجا رفتند. دو گونه تکتی گلوبوس، مانند میتوکندری و کلروپلاست، ژنوم نسبتاً کوچکی دارند که نشان می دهد ژن هایی را که دیگر به آن ها نیاز ندارند، از بین می برند، زیرا میزبان دیاتوم ها برای آنها فراهم می کند. هنگامی که Tschitschko شاهد تقسیم میزبان و همزیست برای تولید مثل بود، تقسیم آنها با هم اتفاق افتاد.

هر دوی این ویژگی ها - کاهش ژنوم و تولید جفت - به یک همزیستی طولانی مدت و پایدار اشاره دارد. اینکه آیا Tectiglobus قطعاً در مسیر از دست دادن بیشتر ژنوم خود و تبدیل شدن به اندامک است یا خیر، نیاز به تحقیقات بیشتری دارد.