חוקרי סטנפורד מצאו טוויסט גנטי מפתיע בשושלת של חיידקים שעשויים למלא תפקיד חשוב באחסון פחמן באוקיינוס. לחיידקים, הידועים בשם אצה כחולה-ירוקה או ציאנובקטריה, יש שתי צורות שונות של אנזים הנמצא בכל מקום, אשר לעתים נדירות מופיעות יחד באותו אורגניזם.
"זו אחת הדוגמאות הנהדרות למדע שבהן אתה יוצא לחפש דבר אחד, אבל בסופו של דבר אתה מוצא משהו אחר שהוא אפילו טוב יותר", אמרה אן דקס, עוזרת פרופסור למדעי מערכת כדור הארץ בבית הספר לקיימות בסטנפורד דורר. מחבר בכיר שלהמחקרבהליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
לפני מיליארדי שנים, הרבה לפני שהצמחים הגיעו למקום, הציאנובקטריות המציאו את הפוטוסינתזה החמצנית. בתהליך הפקת מזון מפחמן דו חמצני ואור שמש, החיידקים הנפוצים שחררו חמצן לאוויר, מה שהפך את האטמוספירה של כוכב הלכת שלנו לארח את מערך החיים על פני כדור הארץ כיום.
"ציאנובקטריות הן ללא ספק צורת החיים החשובה ביותר על פני כדור הארץ", אמר דקס. "הם חימצנו את האטמוספירה של כדור הארץ ויצרו מהפכה ביולוגית."
ציאנובקטריה מיוחדת
כמו צמחים, ציאנובקטריות משתמשות באנזים הנקרא ריבולוז ביספוספט קרבוקסילאז, או רוביסקו, כדי להמיר פחמן דו חמצני לביומסה. אחד החלבונים הנפוצים ביותר בטבע, רוביסקו מגיע בכמה צורות: הסוג הנפוץ ביותר, המכונה רוביסקו צורה I, משתמש לעתים קרובות במבנה הנקרא קרבוקסיזום כדי להגיב באופן סלקטיבי עם פחמן דו חמצני אך לא חמצן, מה שמאפשר לפוטוסינתזה להתנהל ביעילות. אורגניזמים עם סוג פחות נפוץ של האנזים, הידוע כצורה II, חסרים קרבוקסיזום ויכולים לבנות ביומסה ביעילות מפחמן דו חמצני בסביבות שבהן חמצן דל.
בדרך כלל, לאורגניזמים יש רק צורה אחת של רוביסקו, אמר הסופר הראשי אלכס יפה, חוקר פוסט-דוקטורט במדעי מערכות כדור הארץ. אז הוא הופתע כאשר נתקל בחריג לכלל זה בזמן שחקר קיבוע פחמן בחיידקים באוקיינוסים. יפה ניתח DNA מדגימות מי ים שנאספו ממים עמוקים מול חופי מרכז ודרום אמריקה כאשר הבחין שכמה דגימות DNA של מים רדודים חמקו פנימה בטעות. הוא גילה שלציאנובקטריה בדגימות הללו נראה שיש גנים לשתי צורות הרוביסקו.
"התגובה הראשונית שלי הייתה שזה כנראה שגוי", אמר יפה.
מחקר נוסף אישר ששתי הצורות של האנזים היו קיימות ומשמשות באופן פעיל לפוטוסינתזה בציאנובקטריה של מים רדודים, אם כי יידרשו בדיקות נוספות כדי להבין כיצד ציאנובקטריות משתמשות בשתי הצורות.
"על ידי שתי גרסאות," אמר ג'פה, "זה עשוי לאפשר לך להסיר יותר פחמן דו חמצני מהמים מאשר אם הייתה לך רק אחת מהן, או אולי לעשות את זה קצת יותר ביעילות."
יעילות עשויה להיות המפתח להישרדות היכן שהדגימות מקורן, באזור מינימום חמצן כ-50 עד 150 מטרים מתחת לפני השטח, שבו חמצן ואור נמצאים שניהם במחסור.
"קשה מאוד לחיות שם," אמר דקס. "עבור אורגניזם פוטוסינתטי, כאשר יש לך אור נמוך, יש לך מעט אנרגיה."
גלה את החידושים האחרונים בתחום המדע, הטכנולוגיה והחלל עם מעל100,000 מנוייםשמסתמכים על Phys.org לתובנות יומיומיות.
הירשמו לשלנוניוזלטר בחינםולקבל עדכונים על פריצות דרך,
חידושים ומחקרים שחשובים -יומי או שבועי.
אחסון פחמן וגידולים יעילים במיוחד
הממצאים עשויים לעזור למדענים לצפות כיצד יכולתו של האוקיינוס לקלוט פחמן עשויה להשתנות ככל ששינויי האקלים מרחיבים אזורים דלי חמצן. הגילוי שלחלק מהציאנובקטריות יש את שתי צורות הרוביסקו מצביע על כך שהם עשויים לאחסן פחמן ביעילות רבה יותר ממה שהובן בעבר ויכולים להתרבות יחד עם הרחבת אזורי מינימום החמצן.
אם שני רוביסקוסים טובים יותר מאחד, הממצא יכול להוביל גם לייצור יבולים יעיל יותר. במשך עשרות שנים, חוקרים ניסו להנדס את צורת I rubisco כדי לאפשר גידולים שגדלים יותר עם פחות דשן ומים.
"אנחנו מצפים להמשיך לחשוב על זה עם אנשים שעובדים בצד של הנדסת המפעל כדי לראות אם זה עשוי להניב פירות, מילולית ומטאפורית", אמר יפה.
הממצאים העניקו ליפו הערכה חדשה ליכולת החיים להסתגל לסביבות מאתגרות. "הגנים האלה, למרות שהם מרכזיים בחילוף החומרים של אורגניזמים, יכולים למעשה להיות גמישים למדי וניתן להגדיר אותם מחדש ולערבב בדרכים שלא ציפינו", אמר.
מידע נוסף:
Alexander L. Jaffe et al, Cyanobacteria מאזורים הימיים חסרי חמצן מקודדים הן לצורה I והן לצורה II Rubiscos,הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים(2024).DOI: 10.1073/pnas.2418345121
מסופק על ידי
אוניברסיטת סטנפורד
צִיטָטָה:
צמד האנזימים יוצא הדופן של חיידק האוקיינוס עשוי להגביר את אחסון הפחמן (2024, 17 בדצמבר)