بررسی سازگاری متابولیک به عنوان یک عامل محدود کننده احتمالی برای اندوسیمبیوزهای پروکایروتیک

اریک لیبی، محقق سابق فوق دکتری SFI، اکنون دانشیار آزمایشگاه علوم مجتمع (IceLab)، دانشگاه اومئو در سوئد، می گوید: «یکی از اسرار بزرگ زیست شناسی، یوکاریوژنز یا چگونگی پیدایش یوکاریوت ها است. دانشمندان این دوره را یک دوره گذار تکاملی بزرگ می دانند که برای درک ما از تاریخ و تکامل حیات روی زمین حیاتی است.

در یک مطالعه جدید منتشر شده در 21 آوریل 2023، در PNAS، لیبی با پروفسور SFI کریستوفر کمپس و جردن اوکی از دانشگاه ایالتی آریزونا کار کرد تا با تمرکز بر متابولیسم با استفاده از تکنیک‌های نظری مختلف، این راز را بررسی کنند.

شواهد نشان می دهد که یوکاریوت ها زمانی تشکیل شدند که دو پروکاریوت -; یک باکتری و یک آرکئون -؛ با باکتری‌هایی که در دیواره‌های سلولی آرکیا ساکن می‌شوند، ادغام می‌شوند. این زندگی مشترک یک سلول در سلول دیگر، وجود درون همزیستی، منجر به تنوع کامل یوکاریوت‌ها، از جمله تمام حیات پیچیده مانند ما شد. امروزه، دانشمندان ردپای درون همزیستی را در داخل سلول‌های یوکاریوت‌های مدرن، از پستانداران و پرندگان گرفته تا گیاهان و قارچ‌ها مشاهده می‌کنند: اندامک‌های سلولی مانند میتوکندری و کلروپلاست، زمانی ارگانیسم‌های جداگانه‌ای بودند. با این حال، وقتی در طبیعت به اطراف نگاه می کنیم، اندوسیمبیوزها به ندرت در پروکاریوت ها دیده می شوند.

چرا؟ زیست شناسان تکاملی هنوز نمی دانند. تئوری های زیادی وجود دارد، اما تعداد کمی از آنها مدل شده یا کمی سازی شده اند.

لیبی می گوید: «متابولیسم یک چالش اساسی است. اگر یک سلول دیگری را ببلعد، هر دو می توانند رشد کنند؟

تیم تحقیقاتی از سه پایگاه داده بزرگ با مدل‌هایی از ژنوم کامل انواع پروکاریوت‌ها برای آزمایش سه مرحله تکاملی که ممکن است درون همزیستی را محدود کند، استفاده کرد: زنده‌مانی، پایداری و تکامل‌پذیری.

اولین سوال متابولیک -; زنده بودن -؛ می پرسد که آیا هر دو موجود در درون همزیستی می توانند به منابعی که برای زنده ماندن نیاز دارند دسترسی داشته باشند؟ چقدر برای اندوسیمبیونت سخت است -; فردی که در داخل زندگی می کند – برای دسترسی به هر چیزی که از داخل سلول میزبان نیاز دارد؟

همانطور که معلوم است، بسیار آسان است. بیش از نیمی از شبکه هایی که ما سعی کردیم با هم جفت کنیم، قابل دوام بودند.”

کریستوفر کمپس، پروفسور SFI

سوال دوم و سوم -; پایداری و تکامل-؛ اندازه گیری کنید که اندوسیمبیوز چقدر می تواند با اجداد مستقیم خود در یک محیط در حال تغییر رقابت کند. نتایج نشان می‌دهد که بیشتر جفت‌ها نسبت به اجدادشان تناسب اندام کمتری داشتند و کمتر تکامل‌پذیر بودند، اما نه همیشه.

لیبی می‌گوید: «از یک جهت، شگفت‌آور است که چگونه بیش از نیمی از همزیستی‌های درونی احتمالی بین پروکاریوت‌ها ممکن است واقعاً زنده بمانند. همچنین تعجب آور بود که با توجه به دو ژنوم در اندوسیمبیوزها، آنها نسبت به اجداد تک ژنی خود کمتر قادر به سازگاری هستند. هر دوی این نتایج برخلاف انتظارات اولیه ما بود.

اوکی می افزاید: “این بدان معناست که آنها پتانسیل کمتری برای تنوع و تابش در سراسر سیاره دارند و ممکن است به توضیح اینکه چرا امروزه به استثنای یوکاریوت ها، اندوسیمبیوزهای پروکاریوتی نسبتا کمی وجود دارد.”

با این حال، یکی از یافته‌های جالب این بود که بسیاری از جفت‌های مدل‌سازی شده بودند انجام داد Okie می‌گوید زمانی که منابع در محیط کمیاب می‌شوند، مزیت دارند. این یافته می تواند به اکتشاف میکروبیوم های زمین برای کشف اندوسیمبیوزهای پروکاریوتی بیشتر در میان ما کمک کند.

این مطالعه نشان می‌دهد که سازگاری شبکه متابولیک احتمالاً عامل محدودکننده در اندوسیمبیوز پروکاریوتی نیست. با این حال، طیف گسترده ای از نظریه ها و ادعاهای دیگر وجود دارد.

کمپس می گوید: «ما باید شروع به کمی سازی این ادعاها کنیم. “یوکاریوژنز چقدر چالش برانگیز است؟ ما به یک مقیاس مشترک نیاز داریم، هم برای درک گذشته و هم به عنوان پایه ای برای زیست شناسان مصنوعی که می خواهند اندامک های جدید بسازند یا کارایی سلولی را افزایش دهند.” کمی کردن دشواری این چالش برای درک چگونگی تکامل حیات روی زمین، احتمال وجود آن در جای دیگری در کیهان و امکان ایجاد آن در آزمایشگاه کلیدی است.