Denizin En Yaygın “Yalnız” Mikrobu Yapışkan İkinci Hayata Sahip

Araştırmacılar, Chisholm laboratuvarında Prochlorococcus’un yalnız sürüklenmek ile yapışık topluluklar içinde yaşamak arasında geçiş yapabildiğini keşfetti; bu bulgu, okyanusun derinlere taşıdığı karbon miktarına dair tahminlerin yeniden değerlendirilmesine yol açabilir.

Stephanie Martinovich

|

İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü

Yayın Tarihi

Basın İletişimi:

Stephanie Martinovich

E-posta:

MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü

Başlık Yazısı

MIT’den bir çalışma, küçük okyanus mikrobu Prochlorococcus’un iki bağlantılı yaşam sürdüğünü ortaya koyuyor: güneş alan sulara yalnız sürüklenmek ya da biofilm denilen yapışık topluluklar içinde parçacıklara tutunmak. Bulgu, yapışık hücrelerin daha fazla karbon salması ve onu derinlere doğru taşımaya yardımcı olabileceğini işaret ediyor.

Kaynak:

Yaptığımız her nefesin yaklaşık yarısındaki oksijen, okyanusun yüzeyinde sürüklenen mikroskobik hücreler — fitoplankton — gelir. Bunların arasında denizlerin en küçük ve en bol fotosentez yapan organizması Prochlorococcus bulunur. Her yıl karaların ve okyanusların atmosferden çektiği tüm karbonun yaklaşık yüzde 10’luk kısmından tek başına sorumludur.

Yıllar önce MIT Profesörü Sallie (Penny) Chisholm ve arkadaşları tarafından keşfedilen Prochlorococcus, yalnız yaşayan mikrob olarak bilinir; güneş alan okyanus sularında serbestçe süzülür ve sürüklenir. Suyun yüzeyine yakın yerde hızlıca yaşayıp hızlıca öldüğü için Prochlorococcus‘ün okyanusun biyolojik pompasına, yani karbonun derin okyanusa taşınması ve orada depolanması doğal sürecine çok az katkıda bulunduğu düşünülüyordu.

Şimdi, Chisholm laboratuvarındaki MIT araştırmacılarından oluşan bir ekip, bu tablonun eksik olduğunu buldu.

Açık erişimli olarak Nature Communications‘de yayımlanan çalışmada, Prochlorococcus‘ün ayrıca biofilm denilen, yüzeylere yapışık hücre toplulukları oluşturabildiği gösteriliyor. Bulgu, bu minik organizmanın başka bir yaşam biçimine sahip olduğunu ve bunun karbon depolamada çok daha büyük bir rol oynayabileceğini işaret ediyor.

“Artık Prochlorococcus‘i, birbirinden çok farklı — ancak birbirine bağlı — iki dünyada var olan bir canlı olarak düşünebiliriz,” diyor MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği (CEE) Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı olan baş yazar Maya Anjur-Dietrich. “Bu hücreler planktonik (serbest yüzen) durumdayken, besin açısından fakir suların içinde sürüklenir ve en yakın komşularından yüzlerce hücre boyu uzakta olabilirler. Bir parçacığa tutunduklarındaysa tamamen farklı bir fiziksel ve kimyasal dünyaya girerler.”

Araştırmacılar ayrıca, tutunan Prochlorococcus‘in okyanusta yaygın olduğuna dair kanıtlar buldu; bu durum güneş ışığı alan yüzeyden 1.000 metre derinliğe kadar uzanıyor.

Yapışkan sürpriz

Laboratuvar yıllardır yapışkanlığa işaret eden ipuçları fark ediyordu. Eski kültürlerin bulunduğu tüplerin dibinde hücre topakları birikiyor; laboratuvarın daha önceki bir çalışmasıysa bazı suşların kitin parçacıklarına tutunduğunu göstermişti.

Anjur-Dietrich laboara katıldığında, farklı okyanus bölgelerinden izole edilmiş çeşitli Prochlorococcus “ekotipleri”nde bu “tutunma olgusunu” ayrıntılı olarak çalışmaya karar verdi. Araştırmacılar, Prochlorococcus familya ağacının her büyük dalından suşları test etti. “Biofilm oluşum fenotipini, test ettiğimiz her Prochlorococcus suşunda gördük,” diyor. “Bu büyük bir sürprizdi!”

Tipik bir kültürde hücrelerin yaklaşık %6’sı tüpün duvarlarına tutunur. Ancak yalnızca tutunan hücreler yeni ortama aktarıldığında ve bu işlem birçok nesil boyunca tekrarlandığında, sonunda bu popülasyonlardaki hücrelerin yaklaşık %85’i tutunur hale gelir.

Aynı talimatlar, farklı performans

Yapışkan özellik ebeveyn hücrelerden yavrularına aktarılır; ancak zamanla ve seçilimle, yapışkan popülasyonlar tekrar planktonik duruma dönebilir. Ekip, iki farklı durumdaki hücrelerin genomlarını dizilediğinde, tutunmadan sorumlu bir mutasyon bulamadılar. Genetik olarak özdeş hücreler her iki durumda da var olabilir ve popülasyonlar çoğunlukla tutunmaktan çoğunlukla serbest yüzmeye ve tekrar geriye dönebilir.

“Bu hücrelerin hepsi aynı genomu, yani aynı talimat setini paylaşır; ancak belirli noktalarda talimatların hangi kısımlarının okunacağını değiştirirler,” diyor Anjur-Dietrich. “Bunu, aynı notalardan çalışan farklı müzisyenler gibi düşünebilirsiniz — notalar değişmeyecek, ancak her kişi sesli veya sessiz, hızlı veya yavaş çalacağını kendisi belirler.”

“Buradaki güzel yanı şudur ki, bu, prensip olarak, herhangi bir hücrenin gen ifadesine bağlı olarak iki durumda da olabileceği anlamına gelir ve bu durum bir hücrenin ömrü boyunca ve soyunun ömrü boyunca değişebilir,” diyor. “Aynı benzetmeye dönersek, aynı müzisyen aynı eseri çok yavaş ve sesli çalabilir, ardından 10 dakika sonra geri dönüp çok hızlı ve sessiz çalmaya karar verebilir.”

Biyofilmdeki yaşam, hücrelerin davranışını değiştirdi. Yapkınmış hücreler, serbestçe süzülen hücrelere göre daha fazla klorofil üretmiş ve daha yavaş büyümüş, ancak çevrelerindeki suya neredeyse iki katı organik karbon salmışlar. Hücreler ayrıca sonsuza kadar yapışık kalmamış. Bazıları biyofilmlerinden ayrılıp yeni serbestçe süzülen popülasyonlar kurmuş.

Bir mikrop neden hem iki şekilde yaşar?

“Genel olarak, bir popülasyondaki çeşitlilik, muhtemelen değişken bir ortamda hayatta kalmayı sağlar,” diyor Anjur-Dietrich. “Okyanusun çevresel ve besin koşulları öngörülemez olabilir ve birden fazla yaşam biçimine sahip olmak, popülasyonun bir kısmının her zaman başarılı olabileceği anlamına gelebilir.”

Serbestçe süzülen hücrelerin güneş ışığına daha iyi erişimi ve daha uzağa yayılabilme olasılığı vardır, açıklıyor. Yapışık hücreler, komşu mikropların ürettiği besinleri ve avcılardan korunmayı sağlayabilir, ancak güneş ışığı alan bölgeden sonunda dibe çökme olasılıklarını artırabilirler.

Karbon bulamacının yeni bir parçası

Yapışmanın doğada da gerçekleşip gerçekleşmediğini öğrenmek için ekip, parçacık boyutuna göre süzülmüş deniz suyu örneklerinden DNA analiz etti ve kendi verilerini küresel Tara Oceans Projesi veritabanıyla birleştirdi. Tüm örneklerde parçacığa yapışmış Prochlorococcus buldular. Örneğin Hawaii’deki ALOHA araştırma alanında güneş alan sularında, parçacıklardaki mikrobiyal topluluğun yaklaşık yüzde 12’si Prochlorococcus‘den oluşuyordu.

Prochlorococcus güneş alan bölgeden batan parçacıklara yapışırsa, araştırmacılar her yıl yaklaşık yarım milyar metrik ton karbonun daha derin deniz sularına taşınabileceğini tahmin ediyor.

“Deniz, Dünya’nın iklim sisteminin kritik bir parçasıdır,” diyor Anjur-Dietrich. “Atmosferik karbondioksitten sabitlenen karbonun büyük çoğunluğu (Prochlorococcus gibi organizmalar tarafından!) besin zinciri boyunca organizmalar tarafından tüketilerek geri dönüştürülür. Sonunda, bu karbon sindirme ve solurma sırasında organik karbon bileşiklerini parçalayan süreçlerin sonucunda atmosfere geri dönüyor.”

Bu karbonun bir kısmı ise deniz tabanına batıyor ve burada yüzlerce yıl boyunca hapsedilebiliyor. Bu şekilde depolanan karbon miktarına dair tahminler, hangi organizmaların battığı ve aşağı inerken besin maddelerinin nasıl geri dönüştürüldüğüne dair varsayımlara dayanıyor.

Anjur-Dietrich, ekibin sayısının bir başlangıç noktası olduğunu vurguluyor. “Prochlorococcus hakkındaki tahminimiz, yüzeydeki Prochlorococcus miktarına, parçacıklara ne kadar yapıştığına ve deniz tabanına giderken nasıl tüketilebileceğine bağlı olan çok kaba, ilk derece bir tahmindir,” diyor. “Ancak gerçekten heyecan verici olan, bu faktörlerin çoğunun mikrobiyal biyolojiye bağlı olması ve Prochlorococcus’ün bu süreçlerde bir role sahip olduğunu keşfetmiş olmamız.”

Chisholm’un, üst düzey yazar olarak bulgular, uzun süredir süregelen şüpheyi doğruluyor: “Bu olasılık hakkında bir süredir düşünüyoruz. Kültürlerimizin davranış biçiminde buna işaret eden ipuçları vardı,” diyor. “Olayı sonunda anlamaya başlamak harika ve okyanuslardaki karbon akışlarında ‘tutunma’nın ne kadar etki ettiğine dair spekülasyon yapmamız için bize daha fazla özgürlük veriyor.”

“Prochlorococcus‘ün yüzeylere tutunabilmesi, atmosferden derin denize karbon ‘pompalamasında’ anahtar bir rol oynama açısından ön plana çıkarıyor,” ekliyor Chisholm.

Öğrenilecek daha çok şey

Prochlorococcus‘ün okyanusadaki parçacıklara tutunduğu bulgularına dayanan ekip, toplam popülasyonun — yani hem serbest yüzen hem de tutunan hücrelerin — ne kadarının parçacık ilişkili olduğu ve bu oranın okyanus havzaları boyunca nasıl değişebileceğini tahmin eden bir çalışmayla bu konuyu zaten takip etti; bunun için yine kendi verilerini ve arşivlenmiş genetik verilerini kullandı. “Bunu bilseydik, Prochlorococcus‘den kaynaklanan karbonun ne kadarının depolanacağına dair büyük iyileşmeler sağlayabilirdik,” diyor Anjur-Dietrich.

Aynı zamanda Prochlorococcus‘nin parçacık üzerindeki komşularını nasıl etkilediği konusunda da meraklı. Hâlâ güneş ışığı alan okyanus bölümünde, tutunan hücreler fotosentez yapmaya ve karbon salmaya devam ediyor. Bu, diğer mikroplar için parçacığın kendisinden daha kolay bir yemek kaynağı sağlayabilir.

Kendi deyimiyle, “belki Prochlorococcus, normalde karton yemek zorunda olurlarken diğer mikroplara pasta sağlıyor.”

Eğer durum böyleyse, Prochlorococcus taşıyan parçacıklar daldıkça daha yavaş çözünmüş olabilir. Bu fikri sınamak için chitin parçacıkları, Prochlorococcus ve chitin yiyen bir mikropla erken deneylere başladı.

Prochlorococcus hakkında ne kadar çok şey öğrenildikçe varoluşu o kadar karmaşık görünüyor: minik hücre yalnızca süzebilir, bir topluluğa katılabilir, yaşam biçimleri arasında geçiş yapabilir ve potansiyel olarak okyanusun derinlerine doğru dalan parçacıklara tutunabilir.

Chisholm, bu hücrenin içinde daha birçok sırrın hâlâ saklı olduğunu düşünüyor. “50 yıl sonra geri dönüp bunların ne olduğunu görmek isterim,” diyor.

MIT CEE’den diğer ortak yazarlar Katelyn G. Jones, James I. Mullet, Nhi N. Vo, Kurt G. Castro ve Sierra M. Parker olup, çalışma eski MIT doktora sonrası araştırmacıları Nikolai Radzinski ve Gio Capovilla’nın çalışmalarına dayanmaktadır. Araştırma, Simons Foundation bursları ve Burroughs Wellcome Fund tarafından finanse edilmiştir.

Bu haber makalesini paylaş:

• X

Makale: “Biofilm oluşumu ve deniz cyanobakterisi Prochlorococcus’daki dinamikler”

İlgili Bağlantılar

• Chisholm Laboratuvarı
• Sallie (Penny) Chisholm
• İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü
• Mühendislik Fakültesi

• Araştırma
• Mikroplar
• Karbondioksit
• Hücreler
• Bakteriler
• Ekoloji
• Okyanus bilimi ve okyanus mühendisliği
• Karbon yakalama
• Çevre
• İnşaat ve çevre mühendisliği
• Mühendislik Fakültesi