Yeni Keşfedilen Bir Mikrop Aynı Anda Hem Oksijen Hem Kükürt Soluyor
Yellowstone Milli Parkı’ndaki bir kaplıcada bir mikrop, yaşamın yapamayacağı bir şey yapıyor: Aynı anda hem oksijen hem de kükürt soluyor.
Derin bir nefes alın. Akciğerlerinize bir hava akımı hücum etti ve oksijen kan dolaşımınıza karışarak vücudunuzdaki hücrelerde metabolik yangınları körükledi. Aerobik bir organizma olarak, yediğiniz yiyeceklerden moleküler enerjiyi serbest bırakan hücresel kıvılcım olarak oksijeni kullanırsınız. Ancak gezegendeki tüm organizmalar bu şekilde yaşamaz veya nefes almaz. Oksijeni enerji toplamak için kullanmak yerine, derin deniz hidrotermal bacaları veya topraktaki stygian çatlakları gibi oksijenin ulaşamayacağı ortamlarda yaşayan birçok tek hücreli yaşam formu, solunum yapmak ve enerjiyi açığa çıkarmak için başka elementleri kullanır.
Oksijen açısından zengin ve oksijensiz dünyaların bu fiziksel ayrımı, yalnızca yaşamın mevcut kaynakları kullanmasıyla ilgili bir mesele değil; aynı zamanda biyokimyasal bir zorunluluktur. Oksijen, kükürt veya manganez gibi diğer elementlerin kullanımıyla solunumu mümkün kılan metabolik yollarla uyumlu çalışmaz. Bizim gibi aeroblara hayat verir, ancak birçok anaerob, yani oksijensiz solunum yapan canlı için oksijen, özel moleküler mekanizmalarıyla reaksiyona girip onlara zarar veren bir toksindir.
İsveç’teki Lund Üniversitesi’nde evrimsel biyolog olan Courtney Stairs , “Oksijeni elbette seviyoruz,” dedi . “Ama aslında gezegenimizdeki yaşamın çoğu, hatta kendimiz için oldukça zararlı bir molekül. Oksijenin olumsuz etkilerini azaltmanın yollarımız var. Yani onsuz bir yaşam düşünemiyoruz, ama oksijenle yaşam aslında oldukça zor.”
Dünya’daki yaşamın ilk birkaç milyar yılı boyunca, organizmalar bu zor durumdan tamamen kaçındı. O zamanlar hava ve okyanuslar çoğunlukla oksijenden yoksundu, bu yüzden yaşam neredeyse tamamen anaerobik, yani oksijensiz solunumla sağlanıyordu. Ardından, yaklaşık 2,7 milyar yıl önce, denizler çalışkan, fotosentetik siyanobakterilerle doldu. Güneş ışığını şekere ve oksijene dönüştürmenin bir yolunu bulmuşlardı ve hızla geliştiler. Yüz milyonlarca yıl boyunca, birikmiş solunumları atmosferi ve okyanusları oksijenle doldurdu. Büyük Oksidasyon Olayı olarak adlandırılan bu olay, biyosferde ve Dünya atmosferi ile okyanuslarının fiziksel kimyasında önemli bir dönüşümdü . Bu yeni ortamda, aerobik solunum dünyaya hakim olacak şekilde evrimleşti.
Araştırmacılar için süregelen bir gizem, yaşamın anaerobik solunumdan aerobik solunuma geçişi nasıl yönettiğidir; bu kadar çok mikrobiyal biyoçeşitlilik, bir zamanlar biyokimyasal bir felaket olan bir dünyaya uyum sağlamak zorunda kalmıştı. Şimdi araştırmacılar, milyarlarca yıl önce bu geçişin nasıl olabileceğine dair, bugün yaşayan bir organizmadan edindikleri yeni bilgilere sahipler. Araştırmacıların Yellowstone Milli Parkı’ndaki bir kaplıca kazanından topladıkları bir bakteri, yaşamın gerçekten yapamayacağı bir şey yapıyor: Aerobik ve anaerobik metabolizmaları aynı anda çalıştırıyor. Aynı anda hem oksijen hem de kükürt soluyor.
Çalışmaya dahil olmayan Almanya’daki Düsseldorf Heinrich Heine Üniversitesi’nde evrimsel mikrobiyoloji alanında yüksek lisans öğrencisi Natalia Mrnjavac , bulguların “mikrobiyal çeşitlilik ve metabolizma hakkında hala ne kadar çok şey öğrenmemiz gerektiğini bir kez daha hatırlattığını” söyledi. “Ve mikropları seven biri için bu heyecan verici.”
Bulgular , hücresel solunumun sınırları hakkındaki varsayımları sorguluyor ve araştırmacılara yaşamın cennet ve zehir sınırında nasıl yürüdüğünü anlamaları için bir model sunabilir.
Metabolik Hileler
Yaşam formlarının, örneğin oksijen seviyeleri düşük olduğunda son çare olarak aerobik ve anaerobik solunum arasında geçiş yapma yolları geliştirdiği uzun zamandır bilinmektedir. Ancak oksijen anaerobik solunumu bozduğu için, birçok araştırmacı hücrelerin her iki süreci aynı anda kullanırken büyüyemeyeceğini varsaymıştır.
Dolayısıyla , Bozeman’daki Montana Eyalet Üniversitesi’nde mikrobiyolog olan Eric Boyd ve meslektaşları, 1990’ların sonu ve 2000’lerin başında bazı bakterilerin tam da bunu yapıyor olabileceğini öne süren raporları keşfettiklerinde merakları uyandı. Özellikle, bakterilerin ortamda oksijen varken bile anaerobik solunumun bir ürünü olan sülfür ürettiği gözlemlenmişti. Boyd, “Böyle bir şey okumak tuhaf çünkü mikrobiyal metabolizma hakkında bilinen gerçeklere meydan okuyor,” diye hatırlıyor.
Boyd, Dünya’nın kimyasal ve termal açıdan en zorlu yerlerinde yaşamın nasıl evrimleştiği ve devam ettiğiyle ilgileniyor. Ekibiyle birlikte, Montana’daki üniversitesine çok da uzak olmayan Yellowstone Milli Parkı’nın volkanik bacaları ve termal havuzları da dahil olmak üzere, yüzey ve yeraltı dünyaları arasındaki bağlantı noktalarında yaşayan dayanıklı mikropların karışımını inceliyor. Oksijen mevcutken bile anaerobik solunum kullanıyor gibi görünen bu garip mikrop, tam da onun ilgi alanına giriyordu. Boyd ve ekibi, bu mikrop hakkında daha fazla bilgi edinmek için, volkanik kabarcıkların oksijen açısından zengin atmosfer ve oksijensiz yeraltı suyuyla karıştığı, böyle bir mikrobun tercih edeceği türbülanslı kaynakları araştırmak zorundaydı.
Parkın kuzeybatı kesimindeki Nymph Gölü yakınlarındaki bir yol kenarı kaplıcasından, Hydrogenobacter RSW1 adı verilen bir suş toplayıp izole ettiler. RSW1, alışılmadık solunum üzerine yapılacak bir çalışma için doğal bir aday gibi görünüyordu. Bakteri, İzlanda’dan Yeni Zelanda’ya kadar dünyanın dört bir yanındaki volkanik kökenli kaplıcalarda yaygın olarak bulunur ve çok sınırlı miktarda oksijenle büyüyebilir. Ayrıca, önceki raporlardaki ilginç mikroplarla aynı takımda, yani Aquiificales’tedir. Araştırmacılar, onu yetiştirip metabolizmasını inceleyebilmek için laboratuvara geri getirdiler.
Ekip üyeleri, bakteri suşunun hangi element ve moleküller üzerinde büyüyebileceğini aşamalı olarak belirleme sürecinden geçtiler. Oksijen kullanabileceğini zaten biliyorlardı, bu yüzden laboratuvarda başka kombinasyonları test ettiler. Oksijen olmadığında, RSW1 hidrojen gazını ve elemental kükürtü (volkanik bir bacadan fışkıran kimyasallar) işleyebiliyor ve ürün olarak hidrojen sülfür üretebiliyordu. Ancak hücreler bu durumda teknik olarak canlı olsalar da, büyümüyor veya çoğalmıyorlardı. Az miktarda enerji üretiyorlardı; sadece hayatta kalmaya yetecek kadar, daha fazlası değil. Boyd, “Hücre, herhangi bir metabolik veya biyokütle kazanımı elde etmeden, sadece orada öylece oturup çarklarını döndürüyordu,” dedi.
Ardından ekip karışıma tekrar oksijen ekledi. Beklendiği gibi, bakteriler daha hızlı büyüdü. Ancak araştırmacıların şaşkınlığına göre, RSW1 anaerobik solunum yapıyormuş gibi hidrojen sülfür gazı üretmeye devam etti. Aslında bakteri aynı anda hem aerobik hem de anaerobik solunum yapıyor ve her iki sürecin enerjisinden de faydalanıyor gibiydi. Bu çift solunum, önceki raporlardan daha ileri gidiyordu: Hücre, oksijen varlığında sadece sülfür üretmekle kalmıyor, aynı zamanda birbiriyle çelişen iki süreci de aynı anda gerçekleştiriyordu. Bakterilerin bunu yapabilmesi kesinlikle mümkün olmamalıydı.
Boyd, “Bu bizi ‘Peki, burada gerçekten neler oluyor?’ yoluna soktu.” dedi.
İki Yönlü Nefes Alma
RSW1’in hibrit bir metabolizmaya sahip olduğu, oksijen kullanarak aerobik bir mod çalıştırırken aynı zamanda anaerobik kükürt bazlı bir mod çalıştırdığı görülüyor.
Araştırmaya katılmayan Nevada Üniversitesi, Las Vegas’ta çevre mikrobiyoloğu olan Ranjani Murali , “Bir organizmanın bu iki metabolizma arasında köprü kurabilmesi çok eşsiz bir durum,” dedi . Murali, normalde anaerobik organizmalar oksijene maruz kaldığında, reaktif oksijen bileşikleri olarak bilinen zararlı moleküllerin stres yarattığını söyledi. “Bunun olmaması gerçekten ilginç.”
Boyd’un ekibi, bakterilerin her iki metabolizmayı aynı anda çalıştırdığında en iyi şekilde büyüdüğünü gözlemledi. Bu, bakterinin kendine özgü ortamında bir avantaj olabilir: Oksijen, RSW1’in yaşadığı gibi sıcak su kaynaklarında eşit olarak dağılmamıştır. Sürekli değişen koşullarda, bir anda oksijenle yıkanıp bir anda yok olabilen bir ortamda, metabolik riskleri dengelemek oldukça adaptif bir özellik olabilir.
Diğer mikropların aynı anda iki şekilde nefes aldığı gözlemlenmiştir: nitratla anaerobik ve oksijenle aerobik. Ancak bu süreçler tamamen farklı kimyasal yollar kullanır ve bir araya geldiklerinde mikroplara enerji maliyeti yükleme eğilimindedirler. Buna karşılık, RSW1’in hibrit kükürt/oksijen metabolizması hücreleri aşağı çekmek yerine güçlendirir.
Bu tür ikili solunum, şimdiye kadar imkansız kabul edildiği için tespit edilememiş olabilir. Boyd, “Böyle bir şeyi aramak için gerçekten hiçbir nedeniniz yok” dedi. Ayrıca, oksijen ve sülfür birbirleriyle hızla reaksiyona girer; sülfürü bir yan ürün olarak görmüyorsanız, tamamen gözden kaçırabilirsiniz diye ekledi.
Murali, çift metabolizmalı mikropların yaygın olmasının mümkün olduğunu söyledi. Oksijen açısından zengin ve oksijensiz alanlar arasındaki ince eğimlerde var olan birçok habitat ve organizmaya dikkat çekti. Bir örnek, kablo bakterilerini barındırabilen su altı tortularıdır. Bu uzun mikroplar, vücutlarının bir ucu oksijenli suda aerobik solunum yaparken, diğer ucu anoksik tortunun derinliklerine gömülüp anaerobik solunum kullanacak şekilde kendilerini yönlendirirler. Kablo bakterileri, aerobik ve anaerobik süreçlerini fiziksel olarak ayırarak bu hassas bölmede gelişirler. Ancak RSW1, çalkantılı su kaynağında yuvarlanırken aynı anda birden fazla görevi yerine getiriyor gibi görünüyor.
RSW1 bakterilerinin anaerobik mekanizmalarını oksijenden nasıl korudukları hâlâ bilinmiyor. Murali, hücrelerin kendi içlerinde oksijeni çevreleyebilen, izole edebilen ve “toplayabilen” kimyasal süper kompleksler oluşturabileceğini ve oksijenle karşılaştıklarında onu hızla tüketerek gazın kükürt bazlı solunumu engelleme şansını ortadan kaldırabileceğini ileri sürdü.
Boyd, RSW1 ve çift metabolizmaya sahip diğer mikropların, Büyük Oksijenlenme Olayı sırasında mikrobiyal yaşamın nasıl evrimleştiğine dair ilgi çekici modeller oluşturduğunu söyledi. “Bu, gezegendeki mikroplar için oldukça kaotik bir dönem olmalı,” dedi. Atmosfere ve denize yavaşça süzülen oksijen damlaları nedeniyle, yeni ve zehirli gazla ara sıra karşılaşabilen -hatta onu enerjik faydası için kullanabilen- herhangi bir yaşam formu avantajlı olabilirdi. Bu geçiş döneminde, iki metabolizma tek metabolizmadan daha iyi olabilirdi.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Yeni Keşfedilen Bir Mikrop Aynı Anda Hem Oksijen Hem Kükürt Soluyor
/Yeni Keşfedilen Bir Mikrop Aynı Anda Hem Oksijen Hem Kükürt Soluyor/Yeni Keşfedilen Bir Mikrop Aynı Anda Hem Oksijen Hem Kükürt Soluyor/Yeni Keşfedilen Bir Mikrop Aynı Anda Hem Oksijen Hem Kükürt Soluyor