یکی از زحمتکش ترین موجودات موجود در اقیانوس ، رنگ کوچک و زمرد است Prochlorococcus marinus. این “Picoplankton” تک سلولی که کوچکتر از گلبول های قرمز خون انسان است ، می توان با ساخت تعداد خیره کننده ای در آبهای سطحی اقیانوس یافت پانچلروکوک ارگانیسم فتوسنتزی در کره زمین. (در مجموع ، پانچلروکوک کربن را به اندازه تمام محصولات زراعی زمین ذخیره کنید.) دانشمندان همچنان راه های جدیدی را پیدا می کنند که میکروب های سبز کوچک در دوچرخه سواری و ذخیره کربن در اقیانوس دخیل هستند.
اکنون دانشمندان MIT توانایی جدیدی را برای تنظیم اقیانوس در میکروب های کوچک اما قدرتمند کشف کرده اند: به صورت متقاطع بلوک های ساختمانی DNA. در مطالعه ای که امروز در آن ظاهر می شود علم در حال پیشرفت استتیم این را اعلام می کند پانچلروکوک این ترکیبات اضافی را به محیط خود پرتاب کنید ، جایی که آنها در آن زمان “عبور می کنند” یا توسط سایر موجودات اقیانوس مانند مواد مغذی ، انرژی یا تنظیم متابولیسم جذب می شوند. پانچلروکوک“رد می شود منابع دیگر میکروب ها هستند.
علاوه بر این ، این صلیب در یک چرخه معمولی اتفاق می افتد: پانچلروکوک تمایل دارند که چمدان های مولکولی خود را در شب پرتاب کنند که میکروب های سرمایه گذاری به سرعت رد می کنند. برای یک میکروب به نام SAR11 ، رایج ترین باکتری های موجود در اقیانوس ، محققان دریافتند که یک صبحانه شبانه به عنوان یک آرامش بخش عمل می کند و باکتری ها را وادار می کند تا متابولیسم خود را کند و به طور مؤثر برای روز بعد شارژ کنند.
از طریق این تعامل با صلیب ، پانچلروکوک این می تواند به بسیاری از جوامع میکروبی کمک کند تا به سادگی با دادن آنچه نیازی به آن ندارد ، پایدار شوند. و آنها این کار را به شکلی انجام می دهند که می تواند ریتم های روزانه میکروب ها را در سراسر جهان تنظیم کند.
همکار و استاد مؤسسه MIT Sali ، پنی ، چیشولم ، که در کشف این نقش در کشف بین دو گروه متداول میکروب در اکوسیستم اقیانوس ها سالها جذاب است. ” پانچلروکوک در سال 1986 ، “ما اکنون ایده ای از یک رقص خوب داریم که به رشد و ثبات آنها در مناطق وسیع اقیانوس ها کمک می کند.”
با توجه به این پانچلروکوک و SAR11 اقیانوس های سطحی را خفه می کند ، تیم گمان می کند که تبادل مولکول ها از یک به دیگری می تواند به یکی از اتصالات اصلی با صلیب در اقیانوس باشد و آن را به یک تنظیم کننده مهم چرخه کربن اقیانوس تبدیل کند.
Rogier Braakman ، یک دانشمند علمی در وزارت زمین ، جو و علوم سیاره ای (EAP) می گوید: “وقتی به جزئیات و تنوع فرآیندهای صعود متقاطع نگاه می کنیم ، می توانیم نیروهای مهمی را پیدا کنیم که چرخه کربن را تشکیل می دهند.”
سایر نویسندگان MIT شامل براندون ساتینسکی ، تایلر اوکیف ، شین هوگل ، جیمی بکر ، رابرت لی ، کوون دالی و آلدو آرلانو به همراه کریستا لانگنکر ، ملیسا روح و الیزابت کیوینسکی هستند.
کاستال
خوردن متقابل در سراسر دنیای میکروبی رخ می دهد ، اگرچه این روند عمدتاً در جوامع اطراف مورد مطالعه قرار گرفته است. به عنوان مثال ، در روده انسان ، میکروب ها در مجاورت فوری قرار دارند و به راحتی قابل ردیابی هستند و از منابع مشترک بهره مند می شوند.
برای مقایسه ، پانچلروکوک میکروبهای آزاد کننده ای هستند که به طور مرتب از طریق لایه های سطحی اقیانوس پرتاب می شوند و مخلوط می شوند. در حالی که دانشمندان می پذیرند که پلانکتون درگیر نوعی از خوردن متقاطع است ، دقیقاً این اتفاق می افتد و چه کسی از آن استفاده می کند ، از نظر تاریخی یک چالش برای تحقیق بود. هر چیزی که پانچلروکوک رد شده غلظت کم ناپدید شده خواهد داشت و اندازه گیری آن بسیار دشوار خواهد بود.
اما در این کار که در سال 2023 منتشر شد ، Braakman با دانشمندان WHOI همکاری کرده است ، که پیشگام راه های اندازه گیری ترکیبات ارگانیک کوچک در آب دریا است. در آزمایشگاه ، آنها گونه های مختلفی از پانچلروکوک در شرایط مختلف و مشخصه آنچه میکروب ها منتشر می شوند. آنها دریافتند که در بین اصلی “اگزودات” یا مولکول های منتشر شده ، پورین ها و پیریدینی هستند که عناصر ساختمان مولکولی DNA هستند. این مولکول ها همچنین سرشار از فاکتور نیتروژن هستند که تیم را معمایی می کند. پانچلروکوک عمدتا در مناطق اقیانوس هستند که از نظر نیتروژن کم هستند ، بنابراین قرار بود آنها بخواهند همه و تمام ترکیبات حاوی نیتروژن را حفظ کنند. پس چرا آنها به جای آن چنین ترکیباتی را پرتاب کردند؟
سمفونی جهانی
در مطالعه جدید خود ، محققان عمیقاً به جزئیات پرورلروکوک صلیب و چگونگی تأثیر آن بر انواع مختلف میکروب های اقیانوس.
آنها تصمیم گرفتند که چگونه پانچلروکوک قبل از بیرون کشیدن ترکیبات در محیط آنها ابتدا از پورین و پیریدین استفاده کنید. آنها ژنوم های منتشر شده میکروب ها را مقایسه کردند و به دنبال ژنهایی بودند که متابولیسم پورین و پیریدین را رمزگذاری کردند. با ردیابی ژن ها به جلو از طریق ژنوم ، تیم دریافت که پس از تولید ترکیبات ، از آنها برای تهیه DNA و تولید مثل ژنوم میکروب ها استفاده می شود. هر پورین باقیمانده و پیریدین بازیافت می شوند و دوباره مورد استفاده قرار می گیرند ، اگرچه در نهایت برخی از موارد در محیط قرار می گیرند. پانچلروکوک به نظر می رسد که آنها از ترکیبات بیشترین استفاده را می کنند ، سپس آنچه را که نمی توانند رد کنند.
این تیم همچنین به داده های بیان ژن نگاه کرد و دریافت که ژنهای درگیر در بازیافت پورین و پیریمیدین چند ساعت پس از اوج شناخته شده در تکثیر ژنوم که در غروب رخ می دهد ، اوج می شوند. سؤال این بود: چه چیزی می تواند از این ریختن شب استفاده کند؟
برای این کار ، این تیم ژنوم بیش از 300 میکروب هتروتروفیک را مورد بررسی قرار داد – ارگانیسم هایی که به جای انجام این کار از طریق فتوسنتز ، کربن ارگانیک را مصرف می کنند. آنها مشکوک بودند که چنین کوهنوردی کربن احتمالاً کاربران آن باشد پرورلروکوک رد ارگانیک. آنها دریافتند که بیشتر هتروتروف ها حاوی ژنهایی هستند که پورین یا پیریدین را به خود اختصاص می دهند ، یا در بعضی موارد نشان می دهد که میکروب ها در مسیرهای مختلف در مورد نحوه عبور از آنها تکامل یافته اند.
این گروه به میکروبی پیوسته است که Purin ، SAR11 را ترجیح می دهد زیرا رایج ترین میکروب هتروتروفیک در اقیانوس است. هنگامی که آنها ژن ها را در سویه های مختلف SAR11 مقایسه کردند ، دریافتند که گونه های مختلف از پورین ها برای اهداف مختلف استفاده می کنند ، از اینکه آنها را به سادگی مصرف می کنند و از آنها دست نخورده برای از بین بردن آنها برای انرژی ، کربن یا نیتروژن استفاده می کنند. چه چیزی می تواند تنوع نحوه استفاده از میکروب ها را توضیح دهد پرورلروکوک تخفیف؟
معلوم است که محیط محلی نقش بزرگی ایفا می کند. Braakman و همکارانش یک متاژنوم را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند ، که در آن آنها ژنوم توالی شده جمعی از میکروب ها را در بیش از 600 نمونه آب دریا در سراسر جهان مقایسه کردند و با تمرکز بر باکتری های SAR11. توالی متاگنوما همراه با اندازه گیری شرایط مختلف محیطی و مکانهای جغرافیایی که در آن قرار دارند جمع آوری شد. این تجزیه و تحلیل نشان داده است که باکتری پینز برای نیتروژن خود در هنگام نیتروژن موجود در آب دریا نیز برای کربن یا انرژی آن کم است در هنگام بیش از حد نیتروژن – فشار انتخابی را نشان می دهد که این جوامع را در رژیم های مختلف اقیانوس شکل می دهد.
“کوژاوینسکی” همکار می گوید: “کار در اینجا حاکی از آن است که میکروب های موجود در اقیانوس روابطی را ایجاد کرده اند که پتانسیل رشد خود را به روش هایی که انتظار نداریم ، توسعه می دهد.”
سرانجام ، این تیم آزمایش ساده ای را در آزمایشگاه انجام داد تا ببیند آیا می توانند به طور مستقیم مکانیسمی را مشاهده کنند که پورین در SAR11 فعالیت می کند. آنها باکتری ها را در محصولات زراعی پرورش می دهند ، آنها را در معرض غلظت های مختلف پورین قرار می دهند و به طور غیر منتظره می فهمند که باعث می شود آنها فعالیتهای متابولیک طبیعی و حتی رشد را کاهش دهند. با این حال ، هنگامی که محققان این سلولها را در شرایط استرس زا از نظر محیطی قرار می دهند ، آنها همچنان به رشد سلولهای قوی و سالم ادامه می دهند ، گویا مکث متابولیک پورینز به غلبه بر آنها برای رشد کمک کرده است ، بنابراین از اثرات استرس جلوگیری می کند.
“وقتی به اقیانوس فکر می کنید که می بینید این پالس روزانه پورینز از آن آزاد می شود پانچلروکوکاین یک سیگنال مهاری روزانه را فراهم می کند که می تواند در متابولیسم SAR11 مکث کند ، بنابراین روز بعد که خورشید بیرون می آید ، آنها مقدم و آماده می شوند. ” “بنابراین ما فکر می کنیم پانچلروکوک این به عنوان یک هادی در سمفونی روزانه متابولیسم اقیانوس عمل می کند و از بین بردن همگام سازی جهانی بین همه این سلولهای میکروبی ایجاد می کند. “
این کار تا حدودی توسط بنیاد سیمونز و بنیاد ملی علمی پشتیبانی شد.
