پژوهش جدید: اسرار تکامل کلروپلاست فاش شد!

تحقیقات جدید درباره منشاء کلروپلاست‌ها

یکی از مهم‌ترین رویدادها در تاریخ حیات، اندوسیمبیوز است؛ فرآیندی که در آن یک موجود زنده، موجود دیگری را در خود می‌بلعد و به جای هضم آن، DNA و عملکردهای آن را در خود ادغام می‌کند. توافق علمی بر این است که این فرآیند در طول تکامل دو بار اتفاق افتاده و منجر به ایجاد ارگانل‌های تولیدکننده انرژی به نام میتوکندری و بعدها پلاستیدها، که ارگانل‌های فتوسنتزی هستند، شده است.

مطالعه‌ای جدید که در نشریه Nature Communications منتشر شده، به بررسی منشاء کلروپلاست‌ها می‌پردازد؛ پلاستیدهایی که به گیاهان اجازه می‌دهند کربن را از جو استخراج کرده و ساختارها و بافت‌های خود را بسازند. با تمرکز بر روی یک مولکول حمل و نقل انرژی که در پلاستیدها مشترک است، محققان شواهدی یافتند که نشان می‌دهد نقش اصلی کلروپلاست‌های اولیه ممکن است تولید انرژی شیمیایی برای سلول بوده و تنها بعداً تغییر کرده باشد تا بیشتر یا تمام انرژی تولید شده برای جذب کربن استفاده شود.

باور بر این است که کلروپلاست‌ها از سیانوباکتری‌های فتوسنتزی تکامل یافته‌اند، اما مشخص نیست که سیانوباکتری‌ها در ابتدا چه عملکردهایی برای سلول‌هایی که آن‌ها را بلعیدند، انجام می‌دادند. آنگاد مهتا، استاد شیمی دانشگاه ایلینوی در اوربانا-شمپین و سرپرست این تحقیق، گفت: “ما این سؤال را مطرح کردیم: نقش شیمیایی همزیست اولیه که منجر به تشکیل کلروپلاست‌ها شد، برای سلول میزبان چه بوده است؟ آیا جذب کربن بوده، سنتز ATP یا هر دو؟”

شواهد مختلف نشان می‌دهد که پلاستیدهای موجود در جلبک‌های قرمز و گروه دیگری از موجودات فتوسنتزی به نام گلاوکوفیت‌ها به مراحل قدیمی‌تری از تکامل نسبت به کلروپلاست‌های گیاهان خشکی شباهت دارند. اما روش‌های بیوانفورماتیک فعلی تنها می‌توانند به اندازه‌ای در این زمینه پیش بروند، به گفته مهتا. او افزود: “کلید تکامل عملکردی میتوکندری‌ها و پلاستیدها در ظرفیت‌های تولید انرژی آن‌ها نهفته است.”

هر دو نوع ارگانل، ATP تولید می‌کنند؛ مولکولی که انرژی را در خود دارد و بیشتر تعاملات شیمیایی در سلول‌های زنده را به حرکت درمی‌آورد. همچنین، میتوکندری‌ها و پلاستیدها از انتقال‌دهنده‌های ADP/ATP استفاده می‌کنند که در غشای این ارگانل‌ها قرار دارند و ATP را با پیش‌ساز خالی از انرژی خود، یعنی ADP، تعویض می‌کنند. مهتا و همکارانش بر روی تفاوت‌های فعالیت این انتقال‌دهنده‌ها در پلاستیدهای گیاهان خشکی، جلبک‌های قرمز و گلاوکوفیت‌ها تمرکز کردند تا بررسی کنند آیا این تفاوت‌ها می‌تواند بینش‌هایی درباره تکامل کلروپلاست‌ها ارائه دهد یا خیر.

تحقیقات جدید در مورد همزیستی مصنوعی با استفاده از سیانوباکتری‌ها

در یک سری از آزمایش‌ها، محققان سیانوباکتری‌ها را مهندسی کردند تا یکی از سه نوع ترانسلوکاز را بیان کنند. سپس آن‌ها همزیستی مصنوعی بین سیانوباکتری‌های مهندسی شده و سلول‌های مخمر جوانه‌زن را القا کردند. با کنترل شرایط آزمایشگاهی که این سلول‌ها در آن زندگی می‌کردند، محققان مخمرها را مجبور کردند که به طور کامل به همزیست‌های سیانوباکتری برای تأمین نیازهای انرژی خود وابسته شوند.

لابراتور مهتا برای اولین بار این تکنیک را برای مجبور کردن مخمرها به درون‌سازی همزیست‌های سیانوباکتری در مطالعه‌ای که در سال ۲۰۲۲ منتشر شد، توسعه داد. نتایج آزمایش‌ها تفاوت‌های چشمگیری را در فعالیت ترانسلوکازها نشان داد. مهتا گفت: “بیشتر از همه، مشاهده کردیم که همزیست‌های بیان‌کننده ترانسلوکازهای پلاستیدی از جلبک‌های قرمز و گلاوکوفیت‌ها قادر به صادرات ATP برای حمایت از همزیستی بودند، در حالی که آن‌هایی که از کلروپلاست‌ها بودند، در واقع ATP را وارد کرده و نتوانستند نیازهای انرژی سلول‌های همزیست را تأمین کنند.”

ترانسلوکازهای کلروپلاست‌های گیاهان خشکی ATP را وارد و ADP را خارج می‌کردند. از آنجا که پلاستیدهای جلبک‌های قرمز و گلاوکوفیت‌ها به نظر می‌رسد شبیه یک فرم باستانی‌تر از اندامک‌های فتوسنتزی هستند، یافته‌های جدید نشان می‌دهد که کلروپلاست‌ها زمانی عملکرد اصلی خود را در تأمین انرژی برای سلول بزرگ‌تر به اشتراک می‌گذاشتند. با این حال، در برخی از نقاط تاریخ تکاملی خود، به نظر می‌رسد که کلروپلاست‌های گیاهان خشکی به استفاده از ATP تولید شده از طریق فتوسنتز برای انجام وظایف جذب کربن خود تغییر رویه داده‌اند.

مهتا گفت: “به نظر می‌رسد که کلروپلاست‌ها حتی مقداری از ATP تولید شده توسط میتوکندری‌ها را نیز جذب می‌کنند.” در حالی که یافته‌های جدید به طور قطعی اثبات نمی‌کنند که این‌گونه کلروپلاست‌ها تکامل یافته‌اند، اما شواهدی برای حمایت از این دیدگاه ارائه می‌دهند. او افزود: “پیشنهاد این است که تعامل اولیه بین همزیست و سلول بر اساس تولید ATP و تأمین آن بوده است.”

او ادامه داد: “حالا می‌توانید یک سناریو را تصور کنید که در آن، با تبدیل این موجودات به گیاهان خشکی، آن‌ها در شرایط غنی از اکسیژن رشد می‌کنند. این شرایط به میتوکندری‌ها اجازه می‌دهد که در سنتز ATP تخصصی شوند و کلروپلاست‌ها متمرکز شده و به یک موتور تبدیل شوند که جذب کربن را پیش می‌برد.”

این تحقیق با حمایت بنیاد گوردون و بتتی مور و مؤسسه ملی علوم پزشکی عمومی در مؤسسات ملی بهداشت انجام شده است. مهتا همچنین وابسته به مؤسسه کارل آر. ووز برای زیست‌شناسی ژنومی در دانشگاه ایلینوی است.