Azot Gazını Faydalı Bir Forma Dönüştüren Yeni Keşfedilen Bir ‘Organel’, Daha Az Gübre Gerektiren Yapay Bitkilerin Önünü Açabilir

Araştırmacılar nitrojen gazını hücre büyümesi için yararlı bir forma dönüştürebilen, temel bir hücresel yapı olan bir tür organel keşfettiler.

11 Nisan 2024 tarihinde Science dergisinde yayınlana çalışmaya göre alglerde nitroplast adı verilen yapının keşfi, bitkilerin kendi nitrojenini dönüştürmesi veya ‘sabitlemesi’ için genetik mühendislik çalışmalarını destekleyebilir. Bu da mahsul verimini artırabilir ve gübre ihtiyacını azaltabilir.

Araştırmanın yazarlarından Santa Cruz’daki California Üniversitesi’nden okyanus ekolojisti Jonathan Zehr, “Ders kitapları nitrojen fiksasyonunun yalnızca bakteri ve arkelerde meydana geldiğini söylüyor” diyor. Bitkileri ve hayvanları içeren organizma grubuna atıfta bulunarak, bu alg türünün “ilk nitrojen sabitleyen ökaryot” olduğunu ekliyor.

2012 yılında Zehr ve meslektaşları, deniz yosunu Braarudosphaera bigelowii’nin, alg hücrelerinin içinde veya üzerinde yaşadığı anlaşılan UCYN-A adı verilen bir bakteri ile yakın etkileşime girdiğini bildirdiler. Araştırmacılar, UCYN-A’nın nitrojen gazını alglerin büyümek için kullandığı amonyak gibi bileşiklere dönüştürdüğünü varsaydılar. Bunun karşılığında bakterilerin alglerden karbon bazlı bir enerji kaynağı elde ettiği düşünülüyordu.

Ancak son çalışmada Zehr ve meslektaşları, UCYN-A’nın ayrı bir organizma olarak değil, alglerin içindeki organeller olarak sınıflandırılması gerektiği sonucuna vardı. Zehr, daha önceki bir çalışmanın genetik analizine göre, algler ve bakterilerin atalarının yaklaşık 100 milyon yıl önce simbiyotik bir ilişkiye girdiğini söylüyor. Sonunda bu, şimdi B. bigelowii’de görülen nitroplast organelinin ortaya çıkmasına neden oldu.

Organellerin Tanımlanması

Araştırmacılar, bir bakteri hücresinin konakçı hücrede organel haline gelip gelmediğine karar vermek için iki temel kriter kullanıyor. Öncelikle söz konusu hücre yapısının konak hücrenin nesilleri boyunca aktarılması gerekmektedir. İkincisi, yapının konakçı hücre tarafından sağlanan proteinlere bağlı olması gerekir.

Ekip, hücre bölünmesinin çeşitli aşamalarında düzinelerce alg hücresini görüntüleyerek, tüm alg hücresi bölünmeden hemen önce nitroplastın ikiye bölündüğünü buldu. Bu şekilde bir nitroplast, diğer hücre yapılarında olduğu gibi ana hücreden yavrularına aktarılır.

Daha sonra araştırmacılar, nitroplastın büyümek için ihtiyaç duyduğu proteinleri daha geniş alg hücresinden aldığını buldu. Zehr, her bir konak hücrenin hacminin %8’inden fazlasını oluşturan nitroplastın, fotosentez ve genetik materyal yapımı için gerekli olan temel proteinlerden yoksun olduğunu söylüyor. “Alglerden gelen bu proteinlerin çoğu, metabolizmadaki boşlukları dolduruyor” diyor.

Zehr, keşfin, Japonya’daki Kochi Üniversitesi’ndeki çalışma yazarı Kyoko Hagino’nun laboratuvarda alg yetiştirmenin bir yolunu ince ayar yapmak için yaklaşık on yıl harcayan çalışması sayesinde mümkün olduğunu ve bunun da daha ayrıntılı olarak çalışılmasına olanak sağladığını söylüyor.

İsveç’teki Uppsala Üniversitesi’nde organellerin nasıl evrimleştiğini inceleyen Siv Andersson, “Bu oldukça dikkat çekici” diyor. “Organellerin karakteristik özelliği olduğunu düşündüğümüz tüm bu özellikleri gerçekten görüyorlar.”

İyileştirilmiş Bitkiler

Zehr, nitroplastın konakçı hücreyle nasıl etkileşime girdiğini anlamanın, kendi nitrojenini sabitleyebilecek mahsuller tasarlama çabalarını destekleyebileceğini söylüyor. Bu, nitrojen bazlı gübrelere olan ihtiyacı azaltacak ve bunların neden olduğu çevresel zararların bir kısmını önleyecektir. “Bu sistemin çalışmasını sağlayan püf noktaları, kara tesislerinin mühendisliğinde kullanılabilir” diyor.

Almanya’daki Heinrich Heine Üniversitesi Düsseldorf’ta simbiyotik bakteriler üzerinde çalışan Eva Nowack, “Mahsul verimi büyük ölçüde nitrojenin mevcudiyeti nedeniyle sınırlıdır” diyor. “Bir mahsul bitkisinde nitrojeni sabitleyen bir organele sahip olmak elbette harika olurdu.” Ancak bu yeteneği bitkilere kazandırmanın kolay olmayacağı konusunda uyarıyor. Nitroplastın genetik kodunu içeren bitki hücrelerinin, örneğin genlerin nesilden nesile istikrarlı bir şekilde aktarılacağı şekilde tasarlanması gerekir. “Yapılması en zor şey bu olurdu” diyor.

Vriginia, Richmond’daki Virginia Commonwealth Üniversitesi’nden hücre biyoloğu Jeffrey Elhai, “Bu çalışmanın kesinlikle anlayışta önemli bir adım olan şeye ulaştığını görmek hem bir zevk hem de çok etkileyici” diyor.

Haber Kaynağı: https://www.nature.com/articles/d41586-024-01046-z