يمكّن التعايش الداخلي البكتيري الموفر للطاقة مضيفه وحيد الخلية حقيقيات النوى من تنفس النترات ، مما يدل على أن حقيقيات النوى أحادية الخلية قد تكتسب التعايش الداخلي لاستكمال أو استبدال وظائف عضيات الميتوكوندريا.
اكتشف باحثون من بريمن ، مع زملائهم من مركز ماكس بلانك للجينوم في كولونيا ومعهد الأبحاث المائية Eawag من سويسرا ، بكتيريا فريدة تعيش داخل حقيقيات النوى أحادية الخلية وتزودها بالطاقة. على عكس الميتوكوندريا ، فإن هذا ما يسمى بالتعايش الداخلي يستمد الطاقة من تنفس النترات ، وليس الأكسجين. “هذه الشراكة جديدة تمامًا” ، كما تقول جانا ميلوكا ، كبيرة المؤلفين في طبيعة سجية ورق. “التعايش الذي يقوم على التنفس ونقل الطاقة هو أمر غير مسبوق حتى الآن.”
بشكل عام ، بين حقيقيات النوى ، التكافل شائع إلى حد ما. غالبًا ما تتعايش مضيفات حقيقيات النوى مع الكائنات الحية الأخرى ، مثل البكتيريا. تعيش بعض البكتيريا داخل الخلايا أو الأنسجة المضيفة ، وتؤدي خدمات معينة ، مثل الدفاع أو التغذية. في المقابل ، يوفر المضيف المأوى والظروف المعيشية المناسبة للمتعايشين. يمكن للتعايش الداخلي أن يذهب إلى هذا الحد بحيث تفقد البكتيريا قدرتها على البقاء بمفردها خارج مضيفها.
كان هذا هو الحال أيضًا مع التعايش الذي اكتشفه علماء بريمن في بحيرة تسوغ في سويسرا. يقول جون جراف ، المؤلف الأول للدراسة: “إن اكتشافنا يفتح إمكانية أن حقيقيات النوى أحادية الخلية البسيطة ، مثل الطلائعيات ، يمكن أن تستضيف التعايش الداخلي الموفر للطاقة لتكملة أو حتى استبدال وظائف الميتوكوندريا الخاصة بهم”. “تمكن هذا الكائن الأولي من البقاء على قيد الحياة بدون أكسجين من خلال التعاون مع تعايش داخلي قادر على التنفس بالنترات.” يعكس اسم التعايش الداخلي “Candidatus Azoamicus ciliaticola” هذا ؛ “صديق النيتروجين” الذي يسكن داخل الهدبية.
الشكل مركب من صورة مجهر إلكتروني مسح (SEM ، رمادي) وصور مضان. المرئي هو التعايش الداخلي “Candidatus Azoamicus ciliaticola” (المتصور بواسطة FISH باللون الأصفر) والفريسة البكتيرية في فجوات الطعام وكذلك نواة الخلية الكبيرة (الملطخة بواسطة DAPI ، باللون الأزرق). يمكن رؤية الهيكل الخارجي للأهداب الفلورية الضعيفة وكذلك الأهداب. الائتمان: معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة البحرية ، س
تصبح الشراكة الحميمة أقرب من أي وقت مضى
حتى الآن ، يُفترض أن حقيقيات النوى في البيئات الخالية من الأكسجين تعيش من خلال التخمير ، لأن الميتوكوندريا تتطلب الأكسجين لتوليد الطاقة. تم توثيق عملية التخمير جيدًا وقد لوحظت في العديد من الشركات اللاهوائية. ومع ذلك ، لا تستطيع الكائنات الحية الدقيقة استخلاص نفس القدر من الطاقة من التخمير ، وعادةً لا تنمو وتنقسم بسرعة نظيراتها الهوائية.
يقول غراف: “لقد وجدت الشركة التابعة لنا حلاً لذلك”. “لقد ابتلعت بكتيريا لها القدرة على تنفس النترات ودمجها في خليتها. نقدر أن الاستيعاب حدث قبل 200 إلى 300 مليون سنة على الأقل “. منذ ذلك الحين ، عمّق التطور هذه الشراكة الحميمة.
تطور التحول الزمني
استمر تطور الميتوكوندريا بطريقة مماثلة. “جميع الميتوكوندريا لها أصل مشترك” ، تشرح جانا ميلوكا. يُعتقد أنه منذ أكثر من مليار عام عندما اجتاح أسلاف أركتير بكتيريا ، بدأ هذان الاثنان تعايشًا مهمًا للغاية: كان هذا الحدث علامة على أصل الخلية حقيقية النواة. بمرور الوقت ، أصبحت البكتيريا أكثر اندماجًا في الخلية ، مما أدى إلى تقليص جينومها بشكل تدريجي. لم تعد هناك حاجة لفقدان الممتلكات وتم الاحتفاظ فقط بالممتلكات التي استفاد منها المضيف. في النهاية ، تطورت الميتوكوندريا كما نعرفها اليوم. لديهم جينومهم الصغير بالإضافة إلى غشاء خلوي ، ويوجدون كما يسمى العضيات في حقيقيات النوى. في جسم الإنسان ، على سبيل المثال ، هم موجودون في كل خلية تقريبًا ويزودونهم – وبالتالي نحن – بالطاقة.
يقول ميلوكا: “التعايش الداخلي لدينا قادر على أداء العديد من وظائف الميتوكوندريا ، على الرغم من أنه لا يشترك في أصل تطوري مشترك مع الميتوكوندريا”. “من المغري التكهن بأن المتعايش قد يتبع نفس مسار الميتوكوندريا ، وفي النهاية يصبح عضية.”
لقاء بالصدفة
إنه لأمر مدهش حقًا أن هذا التعايش ظل مجهولًا لفترة طويلة. تعمل الميتوكوندريا جيدًا مع الأكسجين – فلماذا لا يوجد مكافئ للنترات؟ إحدى الإجابات المحتملة هي أنه لم يكن هناك أحد على علم بهذه الاحتمالية ولذا لم يكن أحد يبحث عنها. تعد دراسة التعايش الداخلي أمرًا صعبًا ، حيث لا يمكن زراعة معظم الكائنات الحية الدقيقة التكافلية في المختبر. ومع ذلك ، فإن التطورات الأخيرة في التحليلات الميتاجينومية سمحت لنا باكتساب رؤية أفضل للتفاعل المعقد بين المضيفين والمتعايشين. عند تحليل الميتاجينوم ، ينظر العلماء إلى جميع الجينات في العينة. غالبًا ما يستخدم هذا النهج للعينات البيئية حيث لا يمكن تخصيص الجينات في العينة تلقائيًا للكائنات الموجودة. هذا يعني أن العلماء عادة ما يبحثون عن تسلسلات جينية محددة ذات صلة بسؤالهم البحثي. غالبًا ما تحتوي الميتاجينومات على ملايين التسلسلات الجينية المختلفة ومن الطبيعي جدًا أن يتم تحليل جزء صغير منها بالتفصيل.
في الأصل ، كان علماء بريمن يبحثون أيضًا عن شيء آخر. تقوم مجموعة الأبحاث حول غازات الاحتباس الحراري في معهد ماكس بلانك للأحياء الدقيقة البحرية بالتحقيق في الكائنات الحية الدقيقة التي تشارك في استقلاب الميثان. لهذا ، كانوا يدرسون طبقات المياه العميقة لبحيرة تسوغ. البحيرة ذات طبقات عالية ، مما يعني أنه لا يوجد تبادل عمودي للمياه. وبالتالي ، لا تلامس طبقات المياه العميقة لبحيرة تسوغ المياه السطحية وهي معزولة إلى حد كبير. هذا هو السبب في أنها لا تحتوي على أكسجين ولكنها غنية بالميثان ومركبات النيتروجين ، مثل النترات. أثناء البحث عن بكتيريا مضغ الميثان مع جينات لتحويل النيتروجين ، صادف جراف تسلسل جيني صغير بشكل مذهل يشفر المسار الأيضي الكامل لتنفس النترات. “لقد أذهلنا جميعًا بهذه النتيجة وبدأت في مقارنة الحمض النووي مع تسلسلات جينية مماثلة في قاعدة بيانات ، “يقول جراف. لكن الحمض النووي الوحيد المماثل ينتمي إلى المتعايشين الذين يعيشون في حشرات المن والحشرات الأخرى. “لم يكن هذا منطقيًا. كيف ستدخل الحشرات إلى هذه المياه العميقة؟ ولماذا؟ “، يتذكر جراف. بدأ علماء مجموعة البحث في تخمين الألعاب والمراهنة.
ليس وحيدًا في البحيرة المظلمة
في النهاية ، سادت فكرة واحدة: يجب أن ينتمي الجينوم إلى تعايش داخلي مجهول. للتحقق من هذه النظرية ، قام أعضاء فريق البحث بعدة رحلات استكشافية إلى بحيرة تسوغ في سويسرا. بمساعدة شريك التعاون المحلي Eawag ، قاموا بجمع عينات للبحث بشكل خاص عن الكائن الحي الذي يحتوي على هذا التعايش الداخلي الفريد. في المختبر ، أخرج العلماء العديد من حقيقيات النوى من عينات المياه باستخدام ماصة. أخيرًا ، باستخدام علامة الجينات ، كان من الممكن تصور التعايش الداخلي وتحديد مضيفه الأولي.
كان من المفترض أن تحقق رحلة أخيرة قبل عام واحد اليقين النهائي. كانت مهمة صعبة في منتصف الشتاء. أدى الطقس العاصف والضباب الكثيف وضغط الوقت بسبب الأخبار الأولى عن فيروس كورونا بالإضافة إلى الإغلاق المحتمل إلى جعل البحث في البحيرة الكبيرة أكثر صعوبة. ومع ذلك ، نجح العلماء في استخراج عدة عينات من المياه العميقة وإحضارها إلى بريمن. قدمت لهم هذه العينات التأكيد النهائي لنظريتهم. تقول Jana Milucka: “من الجيد معرفة أنهم موجودون هناك معًا”. عادة ، هذه الشركات العملاقة تأكل البكتيريا. لكن هذا تركه على قيد الحياة وشارك معه “.
العديد من الأسئلة الجديدة
يثير هذا الاكتشاف العديد من الأسئلة الجديدة والمثيرة. هل هناك تكافلات مماثلة كانت موجودة لفترة أطول وحيث يكون التعايش الداخلي قد عبر بالفعل الحدود إلى عضية؟ إذا كان هذا التعايش موجودًا لتنفس النترات ، فهل يوجد أيضًا لمركبات أخرى؟ كيف انتهى هذا التعايش ، الذي كان موجودًا منذ 200 إلى 300 مليون سنة ، في بحيرة ما بعد الجليدية في جبال الألب والتي تشكلت قبل 10000 عام فقط؟ علاوة على ذلك: “الآن بعد أن عرفنا ما نبحث عنه ، وجدنا التسلسلات الجينية للتعايش الداخلي في جميع أنحاء العالم ،” يقول ميلوكا. في فرنسا ، وكذلك في تايوان ، أو في بحيرات شرق إفريقيا التي هي في جزء منها أقدم بكثير من بحيرة تسوغ. هل أصل هذا التعايش في إحداها؟ أم أنها بدأت في المحيط؟ هذه هي الأسئلة التي تريد مجموعة البحث التحقيق فيها بعد ذلك.
المرجع: 3 آذار 2021 ، طبيعة سجية.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03297-6
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”