اخیرا زیست شناسان از یک متابولیسم باکتری منحصر به فرد و قدیمی مبتنی بر فسفر پرده برداری کرده‌اند که قدمتی چند میلیارد ساله دارد.
به گزارش تکناک، محور اصلی این کشف چهار عنصر است: یک محاسبات تحلیلی که قدمت آن به دهه 1980 باز می‌گردد، یک مرکز مدرن تصفیه فاضلاب، شناسایی گونه‌های باکتریایی جدید و باقیمانده‌ای از حدود 2.5 میلیارد سال پیش.
داستان ما در پایان دهه 1980 با یک صفحه کاغذ شروع می‌شود. در این صفحه، یک دانشمند به نام برنهارد شینک محاسبه کرد که تبدیل ترکیب شیمیایی فسفیت به فسفات، انرژی کافی برای تولید حامل انرژی سلول – مولکول ATP – آزاد می کند. به این ترتیب، یک میکروارگانیسم باید بتواند انرژی خود را تامین کند. برخلاف بسیاری از موجودات زنده در سیاره ما، این موجودات وابسته به تامین انرژی از نور یا تجزیه مواد آلی نخواهند بود.
این دانشمند در واقع موفق شد چنین میکروارگانیسمی را از محیط جدا کند. متابولیسم انرژی آن بر اساس اکسیداسیون فسفیت به فسفات است، همانطور که در محاسبات پیش بینی شده است. اما این مکانیسم بیوشیمیایی دقیقاً چگونه کار می کند؟ متأسفانه آنزیم کلیدی مورد نیاز برای درک بیوشیمی این فرآیند پنهان ماند و بنابراین این معما برای سال‌ها حل نشده باقی ماند.
برنهارد شینک، استاد موسسه لیمنولوژی دانشگاه کنستانز است. سه دهه پس از اینکه او این محاسبات را روی کاغذ انجام داد، یک کشف غیرمنتظره دوباره جرقه‌ای در ذهن او ایجاد کرد.
کارخانه فاضلاب، یک یافته غیرمنتظره و یک گونه جدید
چیزی که سال‌ها در پس ذهن برنهارد شینک بود، سرانجام پیدا شد: یک کارخانه فاضلاب در شهر کنستانز که تنها چند کیلومتر با آزمایشگاه او فاصله داشت. دکتر ژوکینگ مائو، محقق زیست شناسی از کنستانز، نمونه لجن فاضلاب را بررسی کرد و میکروارگانیسم دومی را کشف کرد که انرژی خود را نیز از فسفیت می‌گیرد. زیست شناسان کنستانز به رهبری برنهارد شینک این باکتری را در محیطی قرار دادند که در آن فقط فسفیت به عنوان منبع غذایی وجود داشت و در واقع جمعیت باکتری رشد کرد.
این باکتری در اکسیداسیون فسفیت، منحصراً در این واکنش زنده می ماند. شینک توضیح می‌دهد که باکتری متابولیسم انرژی خود را از این طریق پوشش می‌دهد و می‌تواند همزمان ماده سلولی خود را از دی‌اکسید کربن بسازد. این باکتری یک ارگانیسم اتوتروف است، مانند یک گیاه. با این حال مانند یک گیاه به نور نیاز ندارد، زیرا انرژی خود را از اکسیداسیون فسفیت می‌گیرد. با کمال تعجب، مشخص شد که این باکتری نه تنها یک گونه جدید است، بلکه در واقع یک نوع کاملاً جدید از باکتری ها را تشکیل می دهد.
ردیابی مکانیسم مولکولی
از آن نقطه به بعد، همه چیز خیلی سریع اتفاق افتاد. شبکه کاملی از محققان کنستانز، از جمله برنهارد شینک، نیکولای مولر، دیوید شلهک، جنیفر فلمینگ و اولگا مایان‌ها، خود را وقف کشف این معما کردند. آنها کشت خالصی از این سویه باکتریایی جدید تولید کردند که در نهایت توانستند آنزیم کلیدی را که باعث اکسیداسیون فسفیت به فسفات می شود، شناسایی کنند.
دیوید شلهک می‌گوید: این پیشرفت با نیکلای مولر و آزمایش‌های آنزیمی او حاصل شد. نیکولای مولر موفق شد به وضوح فعالیت آنزیم را نشان دهد و در نتیجه مکانیسم بیوشیمیایی پشت این آنزیم کلیدی را کشف کند. اولگا مایان و جنیفر فلمینگ مدلی سه بعدی از ساختار آنزیمی و مرکز فعال آن برای درک مسیر واکنش ایجاد کردند.
نیکولای مولر مسیر واکنش را به این شکل تشریح کرد که: چیزی که بسیار شگفت‌انگیز بود این بود که در طی اکسیداسیون، فسفیت ظاهراً مستقیماً با پیش‌ساز حامل انرژی AMP جفت می‌شود که به موجب آن حامل انرژی ADP ایجاد می‌شود. در یک واکنش بعدی، دو ADP تولید شده به یک ATP تبدیل می‌شوند، که ارگانیسم در نهایت روی آن زندگی می‌کند.
سرانجام همه چیز جمع شد و برگه اصلی به انبوهی از مقالات تبدیل شد و در نتیجه در مجله علمی PNAS منتشر شد.
بازمانده ای از 2.5 میلیارد سال پیش
کشف نوع جدیدی از متابولیسم انرژی به خودی خود یک موفقیت علمی بزرگ است. با این حال، گروه تحقیقاتی فکر می‌کند که این نوع متابولیسم به هیچ وجه جدید نیست، بلکه بسیار قدیمی و حتی باستانی است و حدود 2.5 میلیارد سال قدمت دارد.
فرض بر این است که در روزهای اولیه تکامل، زمانی که زمین در حال خنک شدن بود، فسفر هنوز تا حد زیادی به شکل کاهش یافته وجود داشت و تنها بعداً به تدریج اکسید شد. برنهارد شینک توضیح می‌دهد: متابولیسمی که اکنون کشف کرده‌ایم به خوبی با فاز اولیه تکامل میکروارگانیسم‌ها مطابقت دارد.
مکانیسم بیوشیمیایی که این باکتری برای متابولیسم خود استفاده می کند، جدید نیست، اما به احتمال زیاد از زمان‌های اولیه سیاره ما حفظ شده است: زمانی که زندگی در سیاره ما شروع شد و اولین میکروارگانیسم‌ها مجبور بودند از ترکیبات غیر آلی مانند فسفیت تغذیه کنند. بنابراین یافته‌های علمی جدید، سرنخ‌هایی از تکامل بیوشیمیایی اولیه در سیاره ما ارائه می‌دهند. علاوه بر این، آنها کلید یک مکانیسم بیوشیمیایی را ارائه می‌دهند که زندگی در مکان‌های بسیار متخاصم را ممکن می کند، احتمالاً حتی در سیارات بیگانه.
