غشاء نفوذ پذیر اجدادی و پاسخ به پرسشهایی مهم در زیست شناسی

حیات بر روی زمین از یک جد مشترک بوجود آمده است – ارگانیسمی تک سلولی. اما این ارگانیسم چه شکلی بوده؟ چگونه زندگی می کرده؟ و چگونه به سلول های مدرن امروزی تکامل یافته؟ این معمای چهار میلیارد ساله توسط پژوهشگران در UCL با استفاده از مدلسازی ریاضی، حل شده است.

یافته هایی که در مجله ی PLOS Biology منتشر شده، برای اولین بار نشان می دهد که "آخرین جد مشترک جهانی" یا "LUCA"، دارای غشاء "نفوذ پذیر" بوده است و این موضوع به دانشمندان کمک می کند تا به دو سوال از بزرگترین سوالات زیست شناسی پاسخ دهند:

۱.چرا همه ی سلولها برای برداشت انرژی از مکانیسمهای عجیب و پیچیده ی مشابهی استفاده می کنند؟

۲. چرا دو نوع از ارگانیسمهای شکل دهنده ی یکی از عمیق ترین شاخه های درخت زندگی، یعنی باکتری ها و آرکی ها، دارای غشاء سلولی کاملا متفاوت هستند؟

غشاء نفوذ پذیر ، به LUCA اجازه می داد تا از انرژی اطرافش بهره ببرد. ضمن اینکه به احتمال زیاد منافذ عمیق در کف اقیانوس نیز، دیگر موارد لازم برای حیات را درخود داشته است.

گروه تحقیق، چگونگی تغییرات غشاء را مدل سازی کردند و نوادگان LUCA را قادر ساختند تا به انواع جدید (به دو نوع متمایز از ارگانیسمهای تک سلولی، یعنی باکتری و آرکی، برای ایجاد عمیق ترین شاخه از درخت حیات) در محیط های چالش برانگیز تر، تغییر نمایند.

باکتری ها و آرکی ها دارای ویژگی های مشترک زیادی در ژنها، پروتئینها و مکانیسمهای خواندن DNA هستند و این موضوع در ابتدا منجر به این باور در دانشمندان شد که آنها فقط انواع مختلفی از باکتری ها هستند. طبقه بندی آنها در سال ۱۹۷۰، پس از کشف تفاوتهای زیاد آنها در همانندسازی DNA و ساختار غشای سلولی، دچار تغییر شد. از آنجا که دودمان هر دوی آنها از LUCA بود، دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ در ساختار و عملکرد غشای LUCA بودند.

دکترNick Lane ، از دانشگاه علوم زیستی UCL که سرپرستی این پژوهش را به عهده داشت، می گوید:

"این تحقیق بسیار عالی بود – این مطالعه به دنبال مراحلی است که جد تمامی موجودات زنده ی امروزی که یک سلول عجیب است، به سلولهای امروزی تبدیل شده. آیا تنها با این ایده ی ساده، این مدل می تواند تفاوتهای اساسی بین باکتری ها و آرکی ها را توضیح دهد؟ من دوست دارم بگویم بله، اما مهمتر از آن، این تحقیق پیش بینی های روشنی در پیش روی ما می گذارد که برنامه هایی برای تست آنها در آینده داریم."

اطلاعات بدست آمده از این تحقیق، قویا نشان می دهد که LUCA در گذشته در دریاها و در محیطی متراکم از ذرات با بار مثبت (پروتونها) و مخلوطی که حاوی مایعی قلیایی و گرم بوده، می زیسته است. تفاوت در غلظت پروتون در سراسر این دو محیط به پروتونها اجازه ی جریان یافتن به درون سلول را داده است و باعث ساخته شدن مولکولی بنام آدنوزین تری فسفات (ATP) شده که انرژی لازم برای رشد سلول را تامین می کند.

با این حال، بر خلاف سلول های امروزی دانشمندان معتقدند، این رویداد تنها در صورتی می توانسته رخ دهد که غشاء دارای "نفوذ پذیری" بوده و پروتونها قادر به ورود و خروج از سلول بصورت خودبخودی بوده اند.

بگفته ی دکتر Lane:

" در اعماق دریا، جریانی پیوسته از مخلوط مایعات قلیایی و آب دریا در این منافذ وجود داشته است. هنگامی که سیالات با یکدیگر مخلوط می شوند، بار یکدیگر را خنثی کرده و از تجمع هر گونه بار جلوگیری می کنند، در صورتی که این عمل اتفاق نیفتد جریان پروتون به داخل سلول متوقف می شود. اگر سلولهای اولیه دارای غشاء نفوذ پذیر بوده باشند، آنگاه پروتونها می توانستند وارد سلول شده و پس از آن خنثی شده و آنجا را ترک کنند (مثل اینکه هیچ سدی نبوده است). آنچه ما نشان داده ایم این است که میزان ورود و خروج پروتونها از طریق پروتئین های جاسازی شده در غشا، به اندازه ای هست که قدرت لازم برای رشد سلولها را فراهم کند. بنابراین LUCA می توانسته انرژی لازم خود را توسط شیب پروتونی طبیعی کسب نماید اما تنها در صورتی که، برخلاف سلولهای امروزی، دارای غشاء کاملا نفوذ پذیر بوده باشد."

در گریز از این منافذ در بستر دریا، LUCA برای پمپ کردن پروتونها به خارج سلول سازش یافت تا با بازگشت دوباره ی پروتونها به سلول، به تولید ATP کمک کند. این مطالعه نشان می دهد که باکتری ها و آرکی ها ساختمان غشاء سلولی و پمپ های پروتون کاملا متفاوتی را ایجاد کرده اند، در حالی که ماشین تامین کننده ی انرژی برای رشد را به یک طریق حفظ نموده اند. همچنین توضیح میدهد که چرا آنها در صفات اساسی که در رابطه با غشاء می باشد، اینگونه با یکدیگر فرق می کنند (مانند همانندسازی DNA).

بگفته یVictor Sojo از UCL:

"بهره برداری از این گرادیان در سراسر حیات وجود دارد، اما فهمیدن اینکه چطور LUCA از آن استفاده کرده، کمی شبیه به معمای مرغ و تخم مرغ است. LUCA گرادیانی ایجاد نکرده، زیرا نمی دانسته چگونه از آن استفاده کند، اما اگر از ابتدا آن را نداشته چگونه یاد گرفته که از آن استفاده کند؟ پیشنهاد ما یک شیب پروتونی طبیعی است؛ لزومی ندارد LUCA گرادیان را ایجاد کرده باشد؛ این گرادیان از قبل بصورت مجانی در اختیار او بوده است. ما نشان می دهیم که غشاهای امروزی "غیر نفوذ پذیر"، بعدها تکامل یافته، و بطور مستقل به باکتری ها و آرکی ها تبدیل شدند. این موضوع توضیح می دهد که چرا بیوانرژی غشاء، در آرکی ها و باکتری ها مشترک و جهانی است در حالی که پمپ های یونی و غشاها متفاوت هستند."

دکتر Lane و تیمش امیدوارند تا در پروژه ی بعدی خود، محیط منافذ بستر دریاها را از نو بازسازی کنند. جایی که تصور می شود بلوکهای ساختمانِ حیاتِ خودبخودیِ چهار میلیارد ساله در آن شکل گرفته است؛ همینطور می توان بینش عمیقتر از چگونگی رفتار مولکول ها و تعاملشان در چنین شرایطی را کسب کرد.

منبع: plosbiology

  • نویسنده : پرهام وحدانی
  • تاریخ انتشار : ۱۸-۰۷-۹۳