Kompleks hücre evriminde arkeaların rolü
Japonya, Yokosuka Deniz ve Yer Bilimleri Merkezi’ndeki araştırmacılar, Pasifik Okyanusu’nun 2,500 metre derinliğinden aldıkları örnekten yeni bir arkea grubunu laboratuvarda büyütmeyi başardı. Bu yeni keşfedilen arkea grubu, ökaryotik canlıların nasıl ortaya çıktığına ve ökaryotik yaşamın evrimine ışık tutabilir.
BAA-Biyolojik Hareket ve Evrim Bilim Alanı
Arkealar, bakteriler gibi tek hücreli ve prokaryotik (hücre içinde zarlı bir organel ve çekirdek bulundurmayan) bir canlı grubu. Ancak filogenetik, yani türler arası akrabalık ağaçlarına göre arkeaların ökaryotik (zarlı organel ve çekirdek bulunduran) hücrelere daha yakın olduğu biliniyor. Birçok bilim insanı, ilk ökaryotik canlıların yaklaşık 2 milyar yıl önce bir arkeanın başka bir bakteriyi içine alıp birlikte yaşaması (endosimbiyoz) sonucu ortaya çıktığını düşünmekte. Ancak bu konuda hâlâ elimizde net bir kanıt yok. Bu sebeple keşfedilen bu yeni arkea türü biyolojik yaşamın bakterilerden ökaryotlara doğru nasıl karmaşıklaştığını anlamamızda yardımcı olabilir.
Atasal arkealar gibi günümüzdeki arkealar da dünyanın sıradışı koşulları altında yaşıyor. Araştırmacılar da bu mikriboyal hayatın olduğu bölgelerde tüm ökaryotların atasıyla ilgili bir ipucu bulmak için araştırma yapmaya devam ediyor. Bu bölgelerden biri Dünya yüzeyinin %65’ini kaplayan derin okyanus tabanları. Ancak buralardaki mikrobiyal yaşam hakkında çok az bilgiye sahibiz.
Sıradışı koşullarda laboratuvarda yetiştirilen arkealar
Çalışmalarını 23 Ocak 2020’de Nature’da yayımlayan grup, Japonya Ninkai Oluğu yakınlarında okyanus tabanlarını tarayarak örnekler topladılar. 2006 yılında topladıkları örneklerdeki mikroorganizmaların neye benzediği ve nasıl davrandıklarını anlamak amacıyla onları laboratuvar ortamında yetiştirdiler; ancak bu işlem sanıldığı kadar kolay olmadı. Çünkü bu mikroorganizmalar okyanus tabanındaki sıradışı koşullara (soğuk, yüksek basınç ve oksijen azlığı gibi) uyum sağladıklarından laboratuvarda da bu koşulların sağlanması gerekiyordu. Bu amaçla okyanus tabanındaki metan gazı bakımından zengin ve soğuk olan ortamı, 1 metre boyunda silindirik biyoreaktör denilen tanklarda sağlayarak mikroorganizmaları büyütmeyi denediler. Her yıl mikroorganizmaların büyümelerini izlediler.
Birkaç yıl sonra aralarında etkileşim olan farklı türlere ait bir mikrobiyal canlı topluluğunu stabil hale getirmeyi ve çoğaltmayı başardılar. Ancak stabil halde büyüyen çoğu organizmanın aslında olağanüstü koşullarda değil normal koşullarda yetişen organizmalar olduğu görüldü. Bunun üzerine stabil büyüme gösteren mikrobiyal canlı topluluklarından bir kısmını alıp tek başına çoğaltmayı denediler. Reaktörden alınan örnekler, farklı enerji kaynağı ve bakterileri ortamdan eleyerek sadece arkeaların hayatta kalmasını sağlayacak antibiyotik karışımı verilerek büyütüldü.
Araştırmacılar, ilk arkea tespitini örneklerin toplanmasından 6 yıl sonra, 2012 yılında gerçekleştirdi. Bakteri tiplerinin yanında çok az miktarda tespit ettikleri ve MK-D1 adını verdikleri bu arkeayı izole edip tek başına çoğaltmayı başaramadılar. Çünkü buldukları bu yeni arkea tipi ancak ortamda bulunan diğer bakterilerin ürettikleri maddeleri kullanarak yaşayabiliyor. Aynı zamanda laboratuvar ortamında yaşayan birçok mikroorganizmaya göre çok yavaş çoğalıyor. Örneğin, laboratuvarda en çok çalışılan bakterilerden olan Escherichia coli’nin (E.coli) kendini çoğaltması 20 dakika sürerken, MK-D1 için bu süre 2-3 hafta arasında değişiyor.
Asgard arkeaları, ökaryotların en yakın akrabası mı?
2015’te başka bir araştırmacı grup, Kuzey Buz Denizi’ndeki hidrotermal bacalarda Asgard arkea adı verilen yeni bir arkea grubu keşfetti. Asgard arkea grubunun birçok ökaryotik geni içeriyor olması, onların ökaryortların en yakın akrabası olabileceğini düşündürüyor.
Araştırmacılar, laboratuvar ortamında büyüttükleri arkeanın DNA dizilerinin Asgard arkealarla örtüştüğünü fark ettiler. 2018 yılında bir bakteri partneri ile birlikte stabil bir MK-D1 kültürü elde etmeyi başararak bu kültürü mikroskop altında incelemeye başladılar.
Düzenli ve küçük küreler halinde görülen bu yeni organizmanın kompleks yaşamın başlangıcında rol oynaması pek olası görünmezken aylar içinde bu arkealarda garip dokungaç benzeri yapılar evrilmeye başladı. Başta örneklerine bir şeyler bulaştığını düşünen grup, daha sonraki gözlemleri sonucunda arkealardan çıkan bu dokungaç benzeri yapıların, nasıl diğer mikroorganizmaları yakalayıp endosimbiyozun ilk aşamasını gerçekleştirdiğini gördüler.
Grup bu sonuçlardan yola çıkarak dokungaçla tutma, yutma ve simbiyotik ilişki sürdürme (İngilizcesi “entangle-engulf-endogenize”, E3 modeli) adımlarından oluşan yeni bir ökaryot evrimi modeli öne sürüyor.
Araştırmacılar, yeni keşfettikleri bu arkea grubuna Prometheoarchaeum syntrophicum adını verdiler. Arkea grubunun ismi, Yunan mitolojisinde insanlara ateşi tanıtan Prometheus tanrısından ve arkea grubunun diğer organizmalarla kurduğu sinerjik ilişkiden geliyor.
P. syntrophicum ile ilgili keşfedilmesi gereken daha çok şey olsa da, bu yeni keşif bize ökaryotların evrimi ve hayatın başlangıcıyla ilgili bilgi sunmasından dolayı büyük önem taşıyor.
Kaynaklar:
Lambert, J. (2020) Microbiologists took 12 years to grow a microbe tied to complex life’s origins. https://www.sciencenews.org/article/microbiologists-grow-microbe-tied-complex-life-origins
Imachi, H., Nobu, M.K., Nakahara, N. et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface. Nature 577, 519–525 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1916-6