Bilim İnsanları Yaşamın Gizemli Üçüncü Formunu Keşfetti: Arkeler Enerji Üretiminde Nasıl Devrim Yaratıyor?
Dünya yeşil hidrojen ve diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelirken, bilim insanları bakteriler ve ökaryotlardan sonra üçüncü yaşam formu olan arkelerin milyarlarca yıldır hidrojen gazı ve ‘ultraminimal’ enzimler kullanarak enerji ürettiğini keşfetti.
Uluslararası araştırma ekibi, özellikle, iç zara bağlı yapıları olmayan tek hücreli organizmaların bir alanı olan arkelerin en az dokuz filumunun, yalnızca diğer iki yaşam biçiminde var olduğu düşünülen enzimleri kullanarak hidrojen gazı ürettiğini keşfetti.
Araştırmacılar, arkelerin bakteri ve ökaryotlara kıyasla hidrojen kullanan en küçük enzimlere sahip olmakla kalmayıp, hidrojen tüketme ve üretme enzimlerinin de şimdiye kadar karakterize edilen en karmaşık enzimler olduğunu fark etti.
Küçük ve güçlü olan bu enzimler, arkelerin oksijenin çok az bulunduğu ya da hiç bulunmadığı Dünya’nın en düşmanca ortamlarından bazılarında hayatta kalmasına ve gelişmesine izin vermiş gibi görünüyor.
Avustralya’daki Monash Üniversitesi’nde mikrobiyolog olan ve araştırmanın eş başkanlığını yürüten Pok Man Leung, “İnsanlar hidrojeni bir enerji kaynağı olarak kullanmayı yeni yeni düşünmeye başladılar, ancak arkeler bunu bir milyar yıldır yapıyor” diyor.
“Biyoteknologlar artık endüstriyel olarak hidrojen üretmek için bu arkelerden ilham alma fırsatına sahipler.”
Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir ve küresel olarak gübre ve diğer kimyasalların yapımında, metallerin işlenmesinde, gıdaların işlenmesinde ve yakıtların rafine edilmesinde kullanılmaktadır.
Ancak hidrojenin geleceği, su gibi maddeleri hidrojen gazına dönüştürmek için yenilenebilir enerji kullanılması halinde sıfır emisyonla üretilebilecek olan enerji depolama ve çelik yapımında yatmaktadır.
Mikroorganizmalar hidrojen gazını (H2) tamamen farklı amaçlar için üretir ve serbest bırakır, esas olarak fermantasyon sırasında üretilen fazla elektronları atmak için, organizmaların oksijen olmadan şeker gibi karbonhidratlardan enerji elde ettiği bir süreç.
H2 tüketmek veya üretmek için kullanılan enzimlere hidrojenaz adı verilir ve yaşam ağacında ilk kez sadece sekiz yıl önce kapsamlı bir şekilde incelenmişlerdir. O zamandan bu yana, bilinen mikrobiyal türlerin sayısı, özellikle de kaplıcalar, volkanlar ve derin deniz bacaları gibi ekstrem ortamlarda saklanan arkelerin sayısında patlama yaşandı.
Ancak, çoğu arke sadece bu ortamlarda bulunan genetik kod parçalarından biliniyor ve birçoğu laboratuvarda kültürlenemedi çünkü bunu yapmak çok zor.
Bu nedenle Monash Üniversitesi mikrobiyoloğu Chris Greening ve meslektaşları, küresel bir veri tabanında listelenen 2.300’den fazla arkeal tür kümesinde bir tür hidrojenazın, hızlı etkili [FeFe] hidrojenazların bir kısmını kodlayan geni aradı.
Daha sonra Google’ın AlphaFold2 programını kodlanan enzimlerin yapısını tahmin etmekle görevlendirdiler ve bu genlerin gerçekten işlevsel olup olmadığını ve vekil konakçılarında hidrojen reaksiyonlarını katalize edebilen hidrojenazlar üretip üretmediğini kontrol etmek için bu enzimleri E. coli bakterisinde ifade ettiler.
Leung, “Bulgularımız bizi, bu önemli sürecin insanlar da dahil olmak üzere tüm ökaryotları nasıl ortaya çıkardığını anlamaya bir adım daha yaklaştırıyor” diyor.
Ökaryotlar, hücreleri bir çekirdek ve mitokondri ve diğer yararlı hücresel fabrikalar gibi zara bağlı organeller içeren organizmalardır.
Tüm ökaryotların milyarlarca yıl önce anaerobik bir arke ile onun yuttuğu bir bakterinin birleşmesinden ortaya çıktığı düşünülmektedir. Daha sonra gerçekleşen ikinci bir endosimbiyoz ise bitkilerin atası olan kloroplastların ortaya çıkmasına neden olmuştur.
Greening, Leung ve meslektaşları dokuz arkeal filumda [FeFe] hidrojenazlar için genetik talimatlar buldular ve bu mikroorganizmalarda gerçekten aktif olduklarını doğruladılar – hidrojen yapmak için bu tür enzimleri kullanan üç yaşam alanından üçü oldu.
Ancak bakteri ve ökaryotların aksine, daha ileri analizler arkelerin hidrojen üretim ihtiyaçları için iki tür hidrojenazı bir araya getirerek “dikkate değer hibrit kompleksler” oluşturduklarını gösterdi.
Ekip, makalelerinde “Bu bulgular, arkelerin yeni metabolik adaptasyonlarını, biyoteknolojik gelişim için kolaylaştırılmış H2 katalizörlerini ve iki ana H2-metabolize edici enzim arasında şaşırtıcı derecede iç içe geçmiş bir evrimsel geçmişi ortaya koyuyor” diye yazıyor.
Bununla birlikte, bu çalışmada analiz edilen kataloglanmış arke genomlarının çoğu tamamlanmamıştır ve kim bilir daha kaç tür keşfedilmeyi beklemektedir.
Arkelerin enerji üretmenin henüz bulamadığımız başka ustaca yollarını barındırıyor olması muhtemeldir.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Bilim İnsanları Yaşamın Gizemli Üçüncü Formunu Keşfetti: Arkeler Enerji Üretiminde Nasıl Devrim Yaratıyor?
İnsanların Yeni Bir Duyusu Var: Sesleri Parmaklarıyla Algılamak
İnsanların Yeni Bir Duyusu Var: Sesleri Parmaklarıyla Algılamak