جزئیات سلولی و مولکولی جدیدی از رابطه مرجان و جلبک فاش شد

محققان مؤسسه اقیانوس‌شناسی اسکریپس در دانشگاه کالیفرنیا (UC) یک فرآیند مولکولی جدید را کشف کرده‌اند که مرجان‌ها از آن برای کنترل محیط درون سلولی جلبک‌هایی که در داخل آنها زندگی می‌کنند استفاده می‌کنند.

یک پروتئین تخصصی انتقال نوسان روزانه نیتروژن و دی اکسید کربن را از طریق غشای سلولی مرجان به جلبک ها کنترل می کند. این فرآیند مهم است زیرا مرجان ها و جلبک ها در یک رابطه سودمند متقابل به نام همزیستی زندگی می کنند. اگرچه تیم انتظار یافتن این پروتئین را داشت، اما نمی‌توانستند تغییرات روز و شب را در نواحی داخل سلولی که مشاهده کردند، پیش‌بینی کنند.

آنگوس تیس، دانشجوی دکترا که در آزمایشگاه فیزیولوژیست دریایی اقیانوس شناسی اسکریپس، مارتین ترسگرس کار می کند، گفت: «ما نشان می دهیم که رابط بین میزبان حیوانات و گیاهانی که در داخل آنها زندگی می کنند، یک ریزمحیط کنترل شده دینامیکی است. Thies و همکارانش، که شامل دانشمندان دانشگاه مانیتوبا در کانادا می‌شوند، اولین مشاهدات مستقیم از رابط سلولی بین مرجان‌ها و جلبک‌های همزیست آنها را در شماره 11 مارس Science Advances شرح می‌دهند . این مطالعه توسط بنیاد ملی علوم (NSF) از طریق کمک مالی به Tresguerres و کمک هزینه تحصیلی به Thies حمایت شد.

تا همین اواخر، دستیابی به یافته های گزارش شده در Science Advances تقریبا غیرممکن بود. گروه Tresguerres قبلاً سالها برای پیشگامی در زمینه بهترین روش آماده سازی مرجان ها برای علم میکروسکوپ سرمایه گذاری کرده بود. با این حال، چیزی که این دستاورد را به ارمغان آورد، دستیابی تیم به دستگاهی بود که به عنوان یک سیستم تفکیک فوق العاده متمرکز لیزری شناخته می شود که توسط بنیاد تحقیقاتی Arthur M. و Kate E. Tode در علوم بیولوژیکی دریایی در UC San Diego تأمین مالی شد. 

این سیستم به تیم اجازه داد تا از غشای مرجانی که جلبک ها را احاطه کرده است با وضوحی بیش از دو برابر میکروسکوپ قبلی آزمایشگاه تصویربرداری کند. سیستم جدید می‌تواند ویژگی‌هایی را با فاصله 120 نانومتری از هم جدا کند. ضخامت موی انسان در مقایسه با 90000 نانومتر است.

Tresguerres گفت: «دهه‌ها مطالعه نشان می‌دهد که به نظر می‌رسد مرجان‌ها میزان نیتروژنی که به جلبک‌های خود می‌دهند را تنظیم می‌کنند. اما اگر جلبک‌ها نیتروژن زیادی دریافت کنند، ممکن است خیلی سریع رشد کرده و تکثیر شوند و همزیستی را مختل کنند.

درست مانند انسان ها، سلامت مرجان ها و بیماری ها را می توان تا سطح سلولی ردیابی کرد. وقتی همه چیز در سطح سلولی درست پیش می رود، مرجان رشد می کند. و هنگامی که همه چیز اشتباه می شود، معمولاً منجر به نقص یا بیماری می شود که به طور بالقوه شامل «سفید شدن» می شود. آنچه ما رابط همزیستی می نامیم ممکن است مهم ترین رابط، مهم ترین غشاء در کل صخره باشد.

همزیستی ها تعاملات بیولوژیکی مهمی را در بسیاری از سیستم های زنده تشکیل می دهند. برای مثال، انسان ها با باکتری هایی که دستگاه گوارش ما را پر می کنند، رابطه همزیستی دارند. اما یک تفاوت وجود دارد.

“در انسان، باکتری ها خارج از سلول های ما زندگی می کنند. برای مثال، در داخل روده و روی پوست ما. اما در مرجان ها، این جلبک ها در داخل سلول های خود حیوان میزبان زندگی می کنند. “این یک فضای بسیار تنگ است. مثل این است که برای همیشه یک هم اتاقی داشته باشید و امیدوار باشید که هم اتاقی واقعا خوبی باشد. شما می خواهید همه را تا حد امکان راضی نگه دارید.»

در نگاه اول، مرجان ها ممکن است مانند سنگ های رنگارنگ به نظر برسند که پولیپ های بسیار کوچکی را جوانه می زنند. Thies گفت: “آنها در واقع از مهم ترین حیوانات روی زمین هستند.” تقریباً یک میلیارد نفر برای غذای خود به طور مستقیم یا غیرمستقیم به اکوسیستم های صخره های مرجانی متکی هستند و با این حال دانشمندان اطلاعات بسیار کمی در مورد نحوه عملکرد مرجان ها در سطح سلولی دارند. 

مطالعه « Science Advances » مکانیسم سلولی را شناسایی کرد که واسطه انتقال نیتروژن به جلبک‌های همزیست در شرایط عادی است. این یک یافته قابل توجه است زیرا برای درک اینکه چه اتفاقی می افتد وقتی یک فرآیند اشتباه می شود، دانشمندان ابتدا باید نحوه عملکرد آن در مرجان های سالم را مشخص کنند. اما چگونه این فرآیند توسط تغییرات آب و هوایی یا آلودگی تغییر می کند؟ 

Tresguerres گفت: “شاید، تحت شرایط خاص تغییرات آب و هوایی، این مکانیسم مختل شده و می تواند منجر به سفید شدن شود، زیرا جلبک ها به اندازه کافی یا نیتروژن زیادی دارند.” “این درب را برای تحقیقات زیادی، هم توسط ما و هم توسط آزمایشگاه های دیگر باز می کند.”

Thies که مدرک کارشناسی خود را در رشته زیست شناسی دریایی در UC San Diego در سال 2017 دریافت کرد، به عنوان یک دانشجوی کارشناسی در آزمایشگاه Tresguerres شروع به کار بر روی این پروژه کرد. او این پروژه را به عنوان دانشجوی فارغ التحصیل NSF و محقق دکتری اقیانوس شناسی اسکریپس ادامه داده است. 

Thies گفت: “مرجان ها موجودات ساده ای نیستند که بتوان با آنها کار کرد.” مرجان ها به مراقبت های زیادی از آکواریوم نیاز دارند زیرا آنها حیوانات همزیست پیچیده ای هستند. گاهی اوقات، راضی نگه داشتن آنها سخت است.» اما تیمی متشکل از شش دانش‌آموز در مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد UC San Diego دقیقاً این کار را انجام دادند و در مقاله Science Advances برای تلاش‌های خود تقدیر و تشکر کردند.

اگرچه آزمایشگاه Tresguerres بسیاری از ارگانیسم‌های مختلف را مطالعه می‌کند، اما آنچه که در یک موجود زنده پیدا می‌کند، اغلب در موجودی دیگر ظاهر می‌شود، صرفنظر از اینکه چقدر با هم مرتبط هستند. اگرچه مرجان‌ها، کوسه‌ها و جلبک‌ها ممکن است برخی از آنزیم‌های یکسان – پروتئین‌های بسیار تخصصی – را به اشتراک بگذارند، هر موجودی از آنها استفاده‌های متفاوتی می‌کند. حتی دو گونه مرجانی مجزا که در یک عمق زندگی می کنند ممکن است سازگاری های کاملاً متفاوتی را به کار گیرند.

پروتئین‌ها و آنزیم‌ها به‌عنوان بلوک‌های ساختمانی سلولی عمل می‌کنند که Tresguerres آن را با آجرهای LEGO مقایسه می‌کند. در یک مرجان، بسیاری از آنزیم ها از همزیستی پشتیبانی می کنند. آنزیم های مشابه در کرم Osedax ، که از لاشه نهنگ تغذیه می کند، به کرم کمک می کند تا از طریق استخوان غذا بخورد. و در آبشش‌های کوسه و ماهی خار، آنزیم‌های مشابهی در حفظ اسیدیته خون در سطوح سالم نقش دارند. 

Tresguerres گفت: “من تکامل را جذاب می دانم، به خصوص در سطح سلولی.” پروتئین ها یکسان هستند، اما سپس با پروتئین های دیگر شریک می شوند یا در بخش های سلولی مختلف قرار می گیرند و عملکرد بسیار متفاوتی دارند.

علاوه بر Thies و Tresguerres، تیم تحقیقاتی شامل Alex R. Quijada-Rodriguez، Haonan Zhouyao و پروفسور Dirk Weihrauch از دانشگاه Manitoba، کانادا بود. 

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت دانشگاه کالیفرنیا – سن دیگو منتشر شد