Yaşamın kökeni: Mikroplar karmaşık hücrelerin temelini nasıl attı?

Özet: En eski atalarımız kimlerdi? Cevap, hayvanlar ve bitkiler gibi karmaşık organizmalarınkine benzer bir hücre iskeletine sahip tek hücreli özel bir organizma grubunda yatıyor olabilir.

Ayrıntılı Açıklama

On yıl önce kimse Asgard arkelerinin varlığından bile haberdar değildi. Ancak 2015 yılında, derin deniz tortularını inceleyen araştırmacılar, yeni ve daha önce keşfedilmemiş bir mikrop türüne işaret eden gen parçaları keşfetti.

Araştırmacılar, bilgisayar yardımıyla bu parçaları yapboz parçaları gibi bir araya getirerek genomun tamamını derlediler. Ancak o zaman daha önce bilinmeyen bir arke grubuyla karşı karşıya olduklarını fark ettiler.


Bakteriler gibi arkeler de tek hücreli organizmalardır. Ancak genetik olarak iki alan arasında, özellikle hücre zarfları ve metabolik süreçleri açısından önemli farklılıklar vardır.


Daha ileri bir araştırmanın ardından mikrobiyologlar ilgili organizmaları tanımladılar, tanımladılar ve ayrı bir arkeal alt grup olarak sınıflandırdılar: Asgard arkeaları. İskandinav mitolojisindeki göksel alemden alınan adları, Norveç ve Svalbard arasındaki Atlantik ortası sırtında bir kara tüten Loki'nin Kalesi'ne yakın ilk keşiflerine atıfta bulunuyor.


Aslında, Asgard arkeleri araştırma için neredeyse cennetten gönderilmiş gibi görünüyordu: arkeler ve ökaryotlar arasında, yani arkeler ile bitki ve hayvanlar gibi hücreleri çekirdek içeren organizmalar arasında eksik bir halka oldukları ortaya çıktı.


Tek dalı daha az olan hayat ağacı


Son yıllarda araştırmacılar, Asgard arkeleri ile ökaryotlar arasında yakın bağlar olduğuna ve ikincisinin birincisinden evrimleşmiş olabileceğine dair artan göstergeler buldular. Tüm canlı organizmaların bakteri, arkeler ve ökaryotlar olarak üç alana ayrılması bu şaşırtıcı keşfe dayanamadı.


Bazı araştırmacılar o zamandan beri ökaryotları Asgard arkeleri içinde bir grup olarak görmeyi önermiştir. Bu, yaşam alanlarının sayısını üçten ikiye indirecektir: ökaryotlar dahil arkeler ve bakteriler.


ETH Zürih'te Profesör Martin Pilhofer ve ekibi Asgard arkeleri karşısında büyülenmiş durumda ve bu gizemli mikropları birkaç yıldır inceliyorlar.


İki yıl önce Nature dergisinde yayınlanan bir makalede ETH araştırmacıları Lokiarchaeum ossiferum'un hücresel yapısı ve mimarisinin ayrıntılarını araştırdılar. Slovenya'daki bir acı su kanalının çökeltilerinde ortaya çıkan bu Asgard arkeonu, Christa Schleper'in Viyana Üniversitesi'ndeki laboratuvarındaki araştırmacılar tarafından izole edildi.


Bu çalışmada Pilhofer ve doktora sonrası araştırmacıları Jingwei Xu ve Florian Wollweber, Lokiarchaeum ossiferum'un ökaryotlar için de tipik olan bazı yapılara sahip olduğunu gösterdi. Pilhofer, "Bu türde ökaryotlarda bulunan proteine çok benzeyen ve bugüne kadar keşfedilen neredeyse tüm Asgard arkelerinde bulunan bir aktin proteini bulduk" diyor.


İlk çalışmada araştırmacılar, Lokiactin adı verilen bu proteinin, özellikle mikropların sayısız dokunaç benzeri çıkıntılarında ipliksi yapılar oluşturduğunu göstermek için farklı mikroskopi tekniklerini bir araya getirdi. Florian Wollweber, "Asgard arkelerinin karmaşık hücre mimarisi için iskelet oluşturuyor gibi görünüyorlar" diye ekliyor.


Aktin filamentlerine ek olarak, ökaryotlar mikrotübüllere de sahiptir. Bu tüp şeklindeki yapılar, hücre iskeletinin ikinci temel bileşenidir ve çok sayıda tübülin proteininden oluşur. Bu küçük tüpler, bir hücre içindeki taşıma işlemleri ve hücre bölünmesi sırasında kromozomların ayrılması için önemlidir


Bu mikrotübüllerin kökeni şimdiye kadar belirsizdi. Cell dergisinde yeni yayınlanan bir makalede ETH araştırmacıları Asgard arkelerinde ilgili yapıları keşfettiler ve yapılarını tanımladılar. Bu deneyler Asgard tübülinlerinin ökaryotik akrabalarından daha küçük olsa da çok benzer mikrotübüller oluşturduğunu gösteriyor.


Bununla birlikte, sadece birkaç Lokiarchaeum hücresi bu mikrotübülleri oluşturur. Aktinin aksine, bu tübülin proteinleri sadece çok az sayıda Asgard arkea türünde görülür.


Bilim insanları tübülinlerin Lokiarchaea'da neden bu kadar nadir görüldüğünü ya da hücreler tarafından neden ihtiyaç duyulduğunu henüz anlamış değil. Ökaryotlarda mikrotübüller hücre içindeki taşıma süreçlerinden sorumludur. Bazı durumlarda motor proteinler bu tüpler boyunca "yürür." ETH araştırmacıları Asgard arkelerinde bu tür motor proteinleri henüz gözlemlemedi.


Cell çalışmasının ilk yazarı Jingwei Xu, "Ancak bu tübülinlerden oluşan tüplerin bir uçtan büyüdüğünü gösterdik. Bu nedenle ökaryotlardaki mikrotübüllerle benzer taşıma işlevlerini yerine getirdiklerinden şüpheleniyoruz" diyor. Xu, tübülinleri böcek hücreleriyle bir hücre kültüründe üretti ve yapılarını inceledi.


Mikrobiyoloji, biyokimya, hücre biyolojisi ve yapısal biyoloji alanlarından araştırmacılar bu çalışmada yakın işbirliği içinde çalıştı. Pilhofer, "Bu disiplinler arası yaklaşım olmasaydı asla bu kadar ilerleyemezdik," diyerek gururla vurguluyor.


Hücre iskeleti karmaşık yaşamın gelişimi için gerekli miydi? Bazı sorular cevapsız kalsa da, araştırmacılar hücre iskeletinin ökaryotların evriminde önemli bir adım olduğundan eminler.


Bu adım çok uzun zaman önce, bir Asgard arkeonunun uzantılarıyla bir bakteriyi sarmalamasıyla gerçekleşmiş olabilir. Evrim sürecinde bu bakteri, modern hücrelerin güç merkezi olarak işlev gören bir mitokondriyona dönüştü. Zamanla çekirdek ve diğer bölümler evrimleşti ve ökaryotik hücre doğdu.


Pilhofer, "Bu olağanüstü hücre iskeleti muhtemelen bu gelişimin başlangıcındaydı. Asgard arkelerinin uzantılar oluşturmasını ve böylece bir bakteri ile etkileşime girmelerini ve ardından onu yakalayıp yutmalarını sağlamış olabilir" diyor.


Asgard arkeleri için balık avı


Pilhofer ve meslektaşları şimdi dikkatlerini, ortaya çıkan mikrotübüllerle birlikte aktin filamentlerinin ve arkeal tübülinin işlevine çevirmeyi planlıyor.


Ayrıca araştırmacıların bu mikropların yüzeyinde keşfettikleri proteinleri tanımlamayı amaçlıyorlar. Pilhofer, ekibinin bu proteinlere tam olarak uyarlanmış antikorlar geliştirebileceğini umuyor. Bu, araştırmacıların karışık mikrop kültürlerinde özellikle Asgard arkeleri için "balık tutmalarını" sağlayacaktır.


Pilhofer, "Asgard arkeleri hakkında, özellikle de ökaryotlarla ilişkileri ve alışılmadık hücre biyolojileri konusunda hâlâ cevaplanmamış pek çok sorumuz var" diyor ve ekliyor: "Bu mikropların sırlarının izini sürmek büyüleyici."

Kaynak: ETH Zurich