اكتشف العلماء أول عضية مثبتة للنيتروجين

تؤكد كتب علم الأحياء الحديثة أن البكتيريا وحدها هي القادرة على أخذ النيتروجين من الغلاف الجوي وتحويله إلى شكل صالح للحياة. النباتات التي تثبت النيتروجين، مثل البقوليات، تفعل ذلك عن طريق إيواء البكتيريا التكافلية في العقيدات الجذرية. لكن الاكتشاف الأخير يقلب هذه القاعدة رأساً على عقب.

في ورقتين بحثيتين حديثتين، يصف فريق دولي من العلماء أول عضية معروفة لتثبيت النيتروجين داخل خلية حقيقية النواة. العضية هي المثال الرابع في تاريخ التعايش الداخلي الأولي – وهي العملية التي يتم من خلالها ابتلاع خلية بدائية النواة بخلية حقيقية النواة وتتطور إلى ما بعد التعايش إلى عضية.

قال تايلر كول، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز والمؤلف الأول لواحدة من ورقتين بحثيتين حديثتين: “من النادر جدًا أن تنشأ العضيات من هذا النوع من الأشياء”. وقال “في المرة الأولى التي اعتقدنا أن ذلك حدث فيها، أدى إلى ظهور كل أشكال الحياة المعقدة. كل شيء أكثر تعقيدا من الخلية البكتيرية يدين بوجوده لهذا الحدث”، في إشارة إلى أصول الميتوكوندريا. وقال كول: “قبل مليار سنة أو نحو ذلك، حدث ذلك مرة أخرى مع البلاستيدات الخضراء، وهذا أعطانا النباتات”.

المثال الثالث المعروف يتضمن ميكروبًا مشابهًا للبلاستيدات الخضراء. الاكتشاف الأحدث هو المثال الأول لعضية مثبتة للنيتروجين، والتي يطلق عليها الباحثون اسم nitroplast.

لغز دام عقودًا

تطلب اكتشاف العضية قليلًا من الحظ وعقودًا من العمل. في عام 1998، وجد جوناثان زهر، أستاذ العلوم البحرية المتميز بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، تسلسلًا قصيرًا للحمض النووي لما بدا أنه من بكتيريا زرقاء غير معروفة مثبتة للنيتروجين في مياه بحر المحيط الهادئ. قضى زهر وزملاؤه سنوات في دراسة الكائن الغامض، الذي أطلقوا عليه اسم UCYN-A.

وفي الوقت نفسه، كانت كيوكو هاجينو، عالمة الحفريات في جامعة كوتشي في اليابان، تحاول جاهدة استزراع الطحالب البحرية. وتبين أنه الكائن المضيف لـ UCYN-A. استغرق الأمر أكثر من 300 رحلة استكشافية لأخذ العينات وأكثر من عقد من الزمن، لكن هاجينو نجحت في نهاية المطاف في تنمية الطحالب في الثقافة، مما سمح للباحثين الآخرين بالبدء في دراسة UCYN-A ومضيف الطحالب البحرية معًا في المختبر.

لسنوات عديدة، اعتبر العلماء أن UCYN-A هو تعايش داخلي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالطحالب. لكن الورقتين البحثيتين الأخيرتين تشيران إلى أن UCYN-A قد تطور بشكل مشترك مع مضيفه التعايشي السابق، وهو الآن يناسب معايير العضية.

أصول عضية

في ورقة نشرت في خلية في مارس 2024، أظهر زهر وزملاؤه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومعهد العلوم في برشلونة وجامعة رود آيلاند أن نسبة الحجم بين UCYN-A ومضيفي الطحالب متشابهة عبر الأنواع المختلفة من طحالب النابتة النابتة البحرية. برارودوسفيرا بيجيلووي.

يستخدم الباحثون نموذجًا لإثبات أن نمو الخلية المضيفة وUCYN-A يتم التحكم فيه عن طريق تبادل العناصر الغذائية. ترتبط عمليات الأيض الخاصة بهم. هذا التزامن في معدلات النمو دفع الباحثين إلى تسمية UCYN-A بـ “الشبيه بالعضيات”.

وقال زهر: “هذا بالضبط ما يحدث مع العضيات”. “إذا نظرت إلى الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء، فهي نفس الشيء: فهي تتوسع مع الخلية.”

لكن العلماء لم يطلقوا على UCYN-A اسم العضية بثقة حتى أكدوا أدلة أخرى. في ال مقالة الغلاف من المجلة علوم، الذي نُشر اليوم، يظهر زهر وكوالي وكيندرا تورك كوبو ووينج كوان إستير ماك من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، ومتعاونون من جامعة كاليفورنيا، سان فرانسيسكو، ومختبر لورانس بيركلي الوطني، وجامعة تايوان الوطنية للمحيطات، وجامعة كوتشي في اليابان. أن UCYN-A يستورد البروتينات من خلاياه المضيفة.

قال زهر: “هذه إحدى السمات المميزة لشيء ينتقل من التعايش الداخلي إلى العضية”. “يبدأون في التخلص من قطع الحمض النووي، ويصبح جينومهم أصغر فأصغر، ويبدأون في الاعتماد على الخلية الأم لنقل تلك المنتجات الجينية – أو البروتين نفسه – إلى الخلية.”

عمل كول على البروتينات للدراسة. وقام بمقارنة البروتينات الموجودة داخل UCYN-A المعزولة مع تلك الموجودة في الخلية المضيفة للطحالب بأكملها. ووجد أن الخلية المضيفة تصنع البروتينات وتسميها بتسلسل محدد من الأحماض الأمينية، والذي يخبر الخلية بإرسالها إلى النيتروبلاست. تقوم النيتروبلاست بعد ذلك باستيراد البروتينات واستخدامها. حدد كول وظيفة بعض البروتينات، وهي تملأ الفجوات في مسارات معينة داخل UCYN-A.

وقال زهر: “إن الأمر يشبه إلى حد ما أحجية الصور المقطوعة السحرية التي تتلاءم معًا وتعمل معًا”.

في نفس الورقة، أظهر باحثون من جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو أن UCYN-A يتكاثر بالتزامن مع خلية الطحالب ويتم توريثه مثل العضيات الأخرى.

تغيير وجهات النظر

لا تترك خطوط الأدلة المستقلة هذه أدنى شك في أن UCYN-A قد تجاوز دور المتعايش. وبينما تطورت الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء منذ مليارات السنين، يبدو أن البلاستيدات النيتروجينية قد تطورت منذ حوالي 100 مليون سنة، مما يوفر للعلماء منظورًا جديدًا وأكثر حداثة حول تكوين العضيات.

توفر العضية أيضًا نظرة ثاقبة للأنظمة البيئية للمحيطات. تحتاج جميع الكائنات الحية إلى النيتروجين في شكل قابل للاستخدام بيولوجيًا، ويعتبر UCYN-A مهمًا عالميًا لقدرته على تثبيت النيتروجين من الغلاف الجوي. لقد وجده الباحثون في كل مكان من المناطق الاستوائية إلى المحيط المتجمد الشمالي، وهو يعمل على تثبيت كمية كبيرة من النيتروجين.

قال زهر: “إنه ليس مجرد لاعب آخر”.

هذا الاكتشاف لديه أيضًا القدرة على تغيير الزراعة. إن القدرة على تصنيع أسمدة الأمونيا من النيتروجين الجوي سمحت للزراعة – ولسكان العالم – بالانطلاق في أوائل القرن العشرين. تُعرف هذه العملية باسم عملية هابر-بوش، وهي تتيح إنتاج حوالي 50% من الغذاء في العالم. كما أنها تنتج كميات هائلة من ثاني أكسيد الكربون: حوالي 1.4% من الانبعاثات العالمية تأتي من هذه العملية. لعقود من الزمن، حاول الباحثون اكتشاف طريقة لدمج تثبيت النيتروجين الطبيعي في الزراعة.

وقال كول: “يعد هذا النظام منظورًا جديدًا لتثبيت النيتروجين، وقد يوفر أدلة حول كيفية هندسة مثل هذه العضية وتحويلها إلى نباتات المحاصيل”.

لكن الكثير من الأسئلة حول UCYN-A ومضيفه الطحالب لا تزال دون إجابة. يخطط الباحثون للتعمق أكثر في كيفية عمل UCYN-A والطحالب ودراسة السلالات المختلفة.

ستواصل كيندرا تورك كوبو، الأستاذة المساعدة في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز، البحث في مختبرها الجديد. ويتوقع زهر أن يجد العلماء كائنات حية أخرى ذات قصص تطورية مشابهة لـ UCYN-A، ولكن باعتباره الأول من نوعه، فإن هذا الاكتشاف يعد واحدًا من الكتب المدرسية.