باکتریهای باستانی که زمانی زمین را اکسیژندار کردند، حالا دانشمندان را با یک کشف حیرتانگیز دیگر غافلگیر کردهاند. گروهی از محققان مؤسسه علوم و فناوری اتریش (ISTA) دریافتهاند که سیانوباکتریها یک سیستم مولکولی که پیشتر وظیفه جداسازی DNA را بر عهده داشته، به یک ساختار اسکلتی برای کنترل شکل سلول تبدیل کردهاند. این یافتهها که در مجله Science منتشر شده، نمونهای نادر از خلاقیت تکامل در بازطراحی سیستمهای زیستی است.
سیانوباکتریها، که از دیرباز به عنوان پیشگامان فتوسنتز اکسیژنی شناخته میشوند، حدود ۲.۵ میلیارد سال پیش با تولید اکسیژن انقلابی در جو زمین ایجاد کردند. بدون آنها، حیات هوازی و در نهایت موجودات پیچیده هرگز شکل نمیگرفت. بنیامین اسپرینگشتاین، محقق پسادکتری در ISTA، میگوید: «سیانوباکتریها اساساً پیشگامان فتوسنتز اکسیژنی هستند. آنها مسئول رویداد بزرگ اکسیژنسازی بودند؛ به جرات میتوان گفت بدون آنها هیچکدام از ما امروز اینجا نبودیم.»
اما این بار شگفتی از جایی دیگر آغاز شد. اسپرینگشتاین که از سال 2014 روی گونه Anabaena sp. PCC 7120 مطالعه میکند، در جریان همهگیری کووید-۱۹ و تعطیلی آزمایشگاهها، فرصتی یافت تا ادبیات علمی را موشکافانه مرور کند. در همین حین بود که به چیزی غیرمنتظره برخورد: سیستم ParMR که به طور سنتی روی پلاسمیدها (عناصر ژنتیکی متحرک) برای جداسازی DNA یافت میشود، درون کروموزوم Anabaena کدگذاری شده بود. این جابهجایی غیرعادی، جرقه یک فرضیه تکاملی جسورانه را زد.
از جداسازی DNA تا اسکلتسازی سلولی
پس از پیوستن به ISTA، اسپرینگشتاین به همراه گروه پروفسور مارتین لوس و همکارانی از انستیتو پاستور مونتهویدئو (اروگوئه)، دانشگاه کیل (آلمان) و دانشگاه زوریخ (سوئیس)، آزمایشهای خود را آغاز کرد. انتظار میرفت که سیستم ParMR در Anabaena وظیفه جداسازی کروموزومها را بر عهده داشته باشد، اما نتایج تصویر کاملاً متفاوتی را نشان داد. این سیستم که زمانی برای جداسازی DNA تکامل یافته بود، حالا به یک اسکلت سلولی بدل شده که شکل سلول را تعیین میکند.
این تغییر کاربری را باید یکی از چشمگیرترین نمونههای «خلاقیت تکامل» دانست. همان طور که در طبیعت مشاهده میشود، سیستمهای زیستی اغلب برای کاربردهای جدیدی بازطراحی میشوند، اما یافتن نمونهای که یک سیستم جداسازی DNA به یک عنصر ساختاری بدل شود، نادر است. این کشف میتواند پنجرهای تازه به چگونگی پیدایش حیات چندسلولی در سیانوباکتریها بگشاید.
اهمیت سیانوباکتریها در اکوسیستم زمین
سیانوباکتریها نه تنها از نظر تاریخی بلکه از نظر امروزی نیز حیاتی هستند. آنها سهم بزرگی در زیستتوده جهانی دارند و نقش محوری در چرخههای کربن و نیتروژن ایفا میکنند. این میکروبها در شرایطی بس دشوار مانند چشمههای آب گرم تا قطب شمال و حتی روی دیوارها و پشت بام شهرها زندگی میکنند. گونه Anabaena که به عنوان مدلی برای مطالعه سیانوباکتریهای چندسلولی شناخته میشود، حالا میزبان یک راز تکاملی بزرگ است.
تیمی که روی این پروژه کار کرده، امیدوار است این کشف بتواند به درک بهتر از نحوه عملکرد سیستمهای اسکلت سلولی در انواع مختلف باکتریها و حتی سلولهای یوکاریوتیک کمک کند. این پژوهش نشان میدهد که حتی نظامهای زیستی به ظاهر تثبیتشده نیز میتوانند در طول زمان دستخوش تغییرات کارکردی عمیق شوند.
این کشف بار دیگر ثابت میکند که میلیاردها سال تکامل، هنوز هم برای دانشمندان شگفتیهای تازهای در آستین دارد. سوال بعدی این است: آیا چنین سازوکاری در سایر موجودات نیز وجود دارد یا این یک نوآوری منحصربهفرد در سیانوباکتریهاست؟ پاسخ این پرسش مسیر تحقیقات آینده را مشخص خواهد کرد.
