پژوهشگران نوعی اندامک (ساختار بنیادی سلولی) را کشف کرده‌اند که می‌تواند گاز نیتروژن را به شکلی قابل‌استفاده برای رشد سلول تبدیل کند.
کشف این ساختار که نیتروپلاست نامیده می‌شود، در جلبک‌ها می‌تواند تلاش‌ها برای مهندسی ژنتیک گیاهان به‌منظور تثبیت یا «فیکس» کردن نیتروژن خودشان تقویت کند، که این امر می‌تواند باعث افزایش عملکرد محصول و کاهش نیاز به کود شود. این تحقیق در ۱۱ آوریل در مجله‌ی Science منتشر شد. جاناتان زهر، بوم‌شناس دریایی از دانشگاه کالیفرنیا، سانتاکروز و یکی از نویسندگان همکار این مطالعه می‌گوید: «کتاب‌های درسی می‌گویند تثبیت نیتروژن فقط در باکتری‌ها و آرکی‌باکتری‌ها اتفاق می‌افتد.» او اضافه می‌کند که این گونه جلبک، «اولین یوکاریوت تثبیت‌کننده‌ی نیتروژن» است، که به گروهی از موجودات زنده از جمله گیاهان و جانوران اشاره دارد.
در سال ۲۰۱۲، زهر و همکارانش گزارش دادند که جلبک دریایی Braarudosphaera bigelowii ارتباط نزدیکی با باکتری به نام UCYN-A دارد که به نظر می‌رسد در سلول‌های جلبکی یا روی آن‌ها زندگی می‌کند. محققان فرضیه‌ای مطرح کردند که UCYN-A گاز نیتروژن را به ترکیباتی مانند آمونیاک تبدیل می‌کند که جلبک‌ها از آن‌ها برای رشد استفاده می‌کنند. در عوض، تصور می‌شد که باکتری‌ها منبع انرژی مبتنی بر کربن را از جلبک‌ها به دست می‌آورند.
اما در آخرین مطالعه، زهر و همکارانش نتیجه گرفتند که UCYN-A باید به جای یک ارگانیسم جداگانه، به عنوان اندامک‌هایی در داخل جلبک طبقه‌بندی شود. زهر می‌گوید بر اساس تحلیل ژنتیکی از یک مطالعه‌ی قبلی، اجداد جلبک‌ها و باکتری‌ها حدود ۱۰۰ میلیون سال پیش وارد یک رابطه‌ی همزیستی شده‌اند. در نهایت، این منجر به پیدایش اندامک نیتروپلاست شد که اکنون در B. bigelowii دیده می‌شود.
تعریف اندامک
برای اینکه تصمیم بگیرند یک سلول باکتریایی به یک اندامک در یک سلول میزبان تبدیل شده است یا خیر، محققان از دو معیار کلیدی استفاده می‌کنند. اول، ساختار سلولی مورد نظر باید از طریق نسل‌های سلول میزبان منتقل شود. دوم، این ساختار باید به پروتئین‌های ارائه‌شده توسط سلول میزبان وابسته باشد. این تیم با تصویربرداری از ده‌ها سلول جلبکی در مراحل مختلف تقسیم سلولی، دریافتند که نیتروپلاست درست قبل از تقسیم کل سلول جلبکی به دو قسمت تقسیم می‌شود. به این ترتیب، یک نیتروپلاست همانطور که با سایر ساختارهای سلولی اتفاق می‌افتد، از سلول والد به فرزندان آن منتقل می‌شود.
در مرحله‌ی بعد، محققان دریافتند که نیتروپلاست پروتئین‌های مورد نیاز خود را برای رشد از سلول جلبکی بزرگ‌تر به دست می‌آورد. زهر می‌گوید خود نیتروپلاست – که بیش از ۸ درصد از حجم هر سلول میزبان را تشکیل می‌دهد – فاقد پروتئین‌های کلیدی مورد نیاز برای فتوسنتز و ساخت مواد ژنتیکی است. او می‌گوید: «بسیاری از این پروتئین‌ها [از جلبک‌ها] فقط در حال پر کردن این شکاف‌ها در متابولیسم هستند.»
به گفته‌ی زهر، این کشف به لطف کار کیوکو هاگینو، نویسنده‌ی این مطالعه در دانشگاه کوچی در ژاپن که حدود یک دهه را صرف بهبود روش کشت جلبک در آزمایشگاه کرد – که به مطالعه‌ی دقیق‌تر آن‌ها کمک کرد – امکان‌پذیر شد. سیو اندرسون، که در دانشگاه اوپسالا در سوئد در حال مطالعه‌ی چگونگی تکامل اندامک‌ها است، می‌گوید: «این کاملاً قابل توجه است. آن‌ها واقعاً تمام این ویژگی‌های بارز را می‌بینند که به نظر ما مشخصه‌ی اندامک‌ها هستند.»
گیاهان اصلاح‌شده
درک اینکه نیتروپلاست چگونه با سلول میزبان خود برهمکنش می‌کند، می‌تواند از تلاش‌ها برای مهندسی کردن گیاهانی که می‌توانند نیتروژن خود را تثبیت کنند، پشتیبانی کند، این گفته‌ی زهر است. این کار نیاز به کودهای حاوی نیتروژن را کاهش می‌دهد و از برخی آسیب‌های زیست‌محیطی ناشی از آن‌ها جلوگیری می‌کند. او می‌گوید: «فریب‌هایی که در به کار انداختن این سیستم نقش دارند، می‌توانند در مهندسی گیاهان خشکی به کار روند.»
ایوا نواک، که روی باکتری‌های همزیست در دانشگاه هاینریش هاینه دوسلدورف آلمان مطالعه می‌کند، می‌گوید: «عملکرد محصول به‌طور عمده توسط در دسترس بودن نیتروژن محدود می‌شود. داشتن یک اندامک تثبیت‌کننده‌ی نیتروژن در یک گیاه زراعی، قطعاً فوق‌العاده خواهد بود.» اما او هشدار می‌دهد که معرفی این توانایی به گیاهان کار ساده‌ای نیست. برای مثال، سلول‌های گیاهی حاوی کد ژنتیکیِ نیتروپلاست باید به گونه‌ای مهندسی شوند که این ژن‌ها به‌طور پایدار از نسلی به نسل دیگر منتقل شوند. او می‌گوید: «این دشوارترین کاری است که باید انجام شود.» جفری الهائی، زیست‌شناس سلولی در دانشگاه مشترک‌المناطق ویرجینیا در ریچموند می‌گوید: «دیدن اینکه این کار به چنین دستاورد مهمی در درک [موضوع] تبدیل شده است، هم لذت‌بخش است و هم بسیار چشمگیر.»
رفرنس:
سعید کارگر
بیوتکنولوژیست و مدیر سایت بیوتکر