sunnuntai 2. joulukuuta 2012

Fotosynteesin alkuperä mielenkiinnon kohteena


Kloroplastit muuttavat eliöissä valokvantin sisältämän energian biokemialliseen muotoon. Tämän fotosynteesin perustan muodostavan organellin uskotaan siirtyneen kasveihin fotosynteesiin kyenneiden bakteerien mukana endosymbioosiksi kutsutussa prosessissa. Uusi endosymbioosia selvittänyt tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä.

Primäärinen ja sekundaarinen endosymbioosi, joka näyttää DNA:n oletetun kulun syanobakteerista primääri-isännän tumaan ja sen jälkeisen siirtymisen sekundaari-isännän tumaan. (Credit: John M. Archibald, Dalhousie University, Canada)

Eukaryoottien (aitotumallinen organismi) uskotaan saaneen kloroplastin ja kyvyn yhteyttämiseen kaappaamalla sisäänsä yhteyttämiseen kykenevän bakteerin tai muun prokaryootin. Tätä kaappausprosessia, jossa kaapatun eliön DNA ja soluorganellit tulevat ainakin osittain kaappaajan käyttöön kutsutaan endosymbiooksi. Endosymbioosin uskotaan tapahtuneen kahteen kertaan (primäärinen ja sekundaarinen endosymbioosi), jolloin alkuperäinen kloroplasti on siirtynyt kaksi kertaa eliöstä toiseen. Useimmissa organismeissa, joiden uskotaan saaneen kyvyn fotosynteesiin tällä tavoin, on sisään kaapatun eliön tumarakenne hajonnut, mutta joissakin tapauksissa siitä kerrotaan olevan jäljellä surkastunut nukleomorfiksi kutsuttu organelli. Sellaisilla organismeilla on 4 erillistä genomia.

Kansainvälinen tutkijaryhmä, johon kuului 73 tutkijaa 27 tutkimuslaitoksesta on selvittänyt sekundaarista endosymbioosia ja sitä miksi nukleomorfeja tavataan joissakin eliöissä. Tutkijat tarkastelivat kahden pienen levän (Bigelowellia natans ja Guillardia theta) genomeja ja transkriptomeja (ilmaistuja geenejä). Tutkimusryhmää johti John Archibald kanadalaisesta Dalhousie yliopistosta.

Archibald vertasi näitä leviä venäläiseen Maatuska-nukkeen (sisältää sisäkkäisiä hahmoja), jolla on 'huippuhieno hajautettu proteiinikoneisto' ja neljä genomia, jotka ovat peräisin kahdelta eri eukaryootilta. Noin puolet geeneistä ovat vain niilleominaisia, eikä niille ole vastingeenejä muissa eliöissä. "Tämä osoittaa vain kuinka erilaisia ne ovat muihin lajeihin verrattuna."

Tutkimusohjelmajohtaja Igor Grigoriev kutsuu leviä eläviksi fossiileiksi niiden sisältämien nukleomorfien takia. Hänen mukaansa levätutkimus on auttanut täyttämään aukkoja eukaryoottien evoluutiopuussa ja ymmärtämään paremmin niiden evoluutiota.

Archibald puolestaan toteaa, että levillä on hämmästyttävän monimutkainen hiilimetabolian entsyymikoneisto, jota voidaan hyödyntää fotosynteesin ja solun kuljetusjärjestelmien tutkimuksessa, sekä biopolttoaineiden kehityksessä.

Tutkijat uskovat myös löytäneensä vastauksen siihen, miksi levissä on nukleomorfit. "Syy siihen näyttää olevan hämmästyttävän yksinkertainen: ne eivät enää kykene siirtämään omaa DNA:ta isäntäsolun tumaan endosymbioottisella geenin siirrolla," Archibald sanoo. Toisin kuin muilla sekundaarisesti fotosynteettisillä eukaryooteilla, joilla endosymbionttinen geneettinen materiaali on kokonaisuudessaan siirtynyt isäntäsolun tumaan, kryptofyyteillä (cryptophytes) ja kloratsniofyyteillä (chlorarachniophytes) kaapatun eliön tuma ja kloroplasti ovat erillään isäntäsolun genomista. "Tämän seurauksena G. thetan ja B. natansin geneettinen ja biokemiallinen mosaiikki on monimuotoinen," Archibald lisää.

Molemmat tutkijat korostavat yllättäväksi B. natansissa havaittua vaihtoehtoista silmukointia (splicing) . Grigoriev huomauttaa, että ilmiö on tyypillinen kehittyneemmillä eukaryooteilla. Archibald lisää, "että se on odottamatonta ja todella merkittävää yksisoluisilla organismeilla. Tämä havainto kyseenalaistaa olettamuksen, että monimutkainen vaihtoehtoinen silmukointi on vain kehittyneempien monisoluisten eliöiden ominaisuus."

"Kloroplastien ja fotosynteettisten osastojen evoluutio kasveissa ja leväsoluissa on monimutkainen tapahtuma, mutta sillä on ollut merkittävä vaikutus planeetallemme," Cambridgen yliopiston professori Chris Howe sanoo. "Tämä tutkimus antaa meille uusia näkemyksiä siitä, kuinka isäntä- ja nukleomorfigenomit ovat muovautuneet evoluution aikana. Ja lisäksi olemme saaneet kullanarvoista tietoa näiden eliöiden yleisestä biologiasta. Tutkimus osoittaa, että nukleomorfit ovat todennäköisesti säilyneet, koska genomin siirto isäntäsolun tumaan estyi, eikä siksi, että niiden täytyy olla tumasta erillään. Nukleomorfeja sisältävien eliöiden evoluutio on ollut paljon oletettua monimutkaisempaa, josta on osoituksena eri lähteistä peräisin olevat geenit. Tutkimus on antanut merkittävää tietoa endosymbioosista ja genomien muovautumisesta, jonka tuloksena on syntynyt kaikkein tärkeimmät organismit."

Evoluutiopuuta on saatu hieman paikattua yhdestä kohdasta juuri, kun penismato oli sitä heiluttanut toisaalla.

Tutkijat ovat yllättäen havainneet monimutkaisen toiminnon eliössä, jota on pidetty primitiivisenä. Karvakuonoa tällainen havainto ei erityisemmin yllätä.

Endosymbioosi on tyypillinen kehitysopillinen tarina, joka ei perustu empiirisiin havaintoihin, vaan naturalistisiin tulkintoihin. Endosymbioositarinaan liittyy mielenkiintoisia yksityiskohtia. Eräs sellainen on Rubisco, joka on hiilidioksidin fiksaation keskeisin entsyymi ja luonnon yleisin proteiini. Se koostuu suurista ja pienistä alayksiköistä. Kloroplastin geenit koodaavat suuren alayksikön proteiinit ja tuman geenit koodaavat pienen alayksikön proteiinit. Toistaiseksi tuntematon mekanismi koordinoi molempien alayksiköiden tuotantoa niin, että niitä tuotetaan juuri oikea määrä. Tuman geenien translaatio tapahtuu sytoplasmassa ja kaperonit kuljettavat siellä valmistuneet proteiinit kloroplastiin, jossa edelleen kaperonien avustamana Rubisco-molekyylin kokoonpano tapahtuu (Campbell & Farrell 2003).

Kehitysopillisen tarinan mukaan eukaryoottisolu(isäntä) on saanut kloroplastin (yhteyttämiskyvyn) prokaryoottisolulta(orja). Sitten merkillisen evoluutiotapahtuman tuloksena isännän genomi ja orjan genomi tuottavat yhteistyössä ja vakaasti harkiten monimutkaisen yhdistelmäproteiinin, joka on erittäin tärkeä fotosynteesin kannalta. On huomattava, että prokaryootti oli alunperin fotosynteesiin kykenevä, joten sillä oli kyky tuottaa Rubiscoa. Tässä merkillisessä evoluutiotapahtumassa osa Rubiscon tuottamiseen tarvittavista geeneistä (pieniä alayksiköitä koodaavat) on siirtynyt isäntäsolun tumaan ja siitä lähtien isännän ja orjan genomit ovat toimineet saumattomassa yhteistyössä.

Karvakuonon on pakko todeta, että kehitysoppiin uskovia ei voi syyttää ainakaan mielikuvituksen puutteesta.




Lähteet:

http://www.jgi.doe.gov/News/news_12_11_28.html

Campbell, Mary K.  & Farrell, Shawn O. (2003): Biochemistry, Thomson Learning, Inc. 4th ed. s. 630-632

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti