Yaşamın Başlangıcı: Tek Hücrelilerden Organizmalara Uzanan Evrimsel Süreç
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 tüm genomu 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 araştırmadan sonra mikrobiyologlar ilgili organizmaları tanımladılar, tanımladılar ve ayrı bir arkeal alt grup olarak sınıflandırdılar: Asgard arkeleri. İskandinav mitolojisindeki göksel alemden alınan isimleri, Norveç ve Svalbard arasındaki orta Atlantik sırtında bir kara tüten Loki’nin Kalesi yakınlarında ilk keşiflerine atıfta bulunmaktadır.
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 yaşam ağacı
Son yıllarda araştırmacılar, Asgard arkeleri ile ökaryotlar arasında yakın bağlar olduğuna ve ikincisinin birincisinden evrimleşmiş olabileceğine dair artan göstergeler buldular. Tüm canlı organizmaların bakteriler, arkealar ve ökaryotlar olarak üç alana ayrılması bu şaşırtıcı keşfe dayanamadı.
O zamandan beri bazı araştırmacılar ökaryotları Asgard arkeleri içinde bir grup olarak görmeyi önermişlerdir. Bu, yaşam alanlarının sayısını üçten ikiye indirecektir: ökaryotlar da dahil olmak üzere arkeler ve bakteriler.
Asgard arkelerinden türeyen ökaryotlarla yaşam ağacının yeniden çizilmesi. Kredi: Florian Wollweber / E
ETH Zürih’te Profesör Martin Pilhofer ve ekibi Asgard arkelerinden çok etkilenmiş ve bu gizemli mikropları birkaç yıl boyunca incelemişlerdir.
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 çok sayıdaki dokunaç benzeri çıkıntılarında ipliksi yapılar oluşturduğunu göstermek için farklı mikroskopi tekniklerini birleştirdi. Florian Wollweber, “Asgard arkelerinin karmaşık hücre mimarisinin iskeletini oluşturuyor gibi görünüyorlar” diye ekliyor.
Aktin filamentlerine ek olarak ökaryotlar mikrotübüllere de sahiptir. Tüp şeklindeki bu yapılar hücre iskeletinin ikinci temel bileşenidir ve çok sayıda tubulin proteininden oluşur. Bu küçük tüpler, hücre içindeki taşıma süreçleri 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 tubulinlerinin ökaryotik akrabalarından daha küçük olsalar da çok benzer mikrotübüller oluşturduklarını gösteriyor.
Bununla birlikte, sadece birkaç Lokiarchaeum hücresi bu mikrotübülleri oluşturur. Aktinin aksine, bu tubulin proteinleri Asgard arkelerinin sadece çok az 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.
“Bununla birlikte, bu tübülinlerden oluşan tüplerin bir uçta büyüdüğünü gösterdik. Bu nedenle ökaryotlardaki mikrotübüllerle benzer taşıma işlevlerini yerine getirdiklerinden şüpheleniyoruz” diyor Cell çalışmasının ilk yazarı Jingwei Xu. Xu, tubulinleri böcek hücrelerinden oluşan 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,” diye gururla vurguluyor.
Sadece beş filamentten oluşan bir Asgard mikrotübülünün yapısı.
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, çağlar önce bir Asgard arkeonunun bir bakteriyi uzantılarıyla sarmalamasıyla gerçekleşmiş olabilir. Evrim sürecinde bu bakteri, modern hücrelerin güç merkezi olarak hizmet veren bir mitokondriyona dönüştü. Zamanla çekirdek ve diğer bölümler evrimleşti ve ökaryotik hücre doğdu.
“Bu olağanüstü hücre iskeleti muhtemelen bu gelişimin başlangıcındaydı. Asgard arkelerinin uzantılar oluşturmasını ve böylece bir bakteriyle etkileşime girip onu yakalamasını ve yutmasını sağlamış olabilir” diyor Pilhofer.
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 de tanımlamayı amaçlıyorlar. Pilhofer, ekibinin bu proteinlere tam olarak uyarlanmış antikorlar geliştirebileceğini umuyor. Bu sayede araştırmacılar karışık mikrop kültürlerinde özellikle Asgard arkeleri için “balık avlayabilecekler”.
Pilhofer, “Asgard arkeleri hakkında, özellikle de ökaryotlarla ilişkileri ve alışılmadık hücre biyolojileri konusunda hâlâ cevaplanmamış pek çok sorumuz var” diyor. “Bu mikropların sırlarının izini sürmek büyüleyici.”
Kaynak: https://phys.org