Znajdź zawartość

Naukowcy z należącego do NASA Centrum Astrobiologii rzucili nowe światło na ewolucję. Z ich badań wynika, że o rozwoju życia na Ziemi zadecydowało przypadkowe łączenie się przedstawicieli dwóch linii prokariotów przed 2,5 miliardami lat. Biolog molekularny James A. Lake porównał proteiny występujące u ponad 3000 różnych prokariotów - jednokomórkowych organizmów niezawierających jądra komórkowego - i wykazał, że 2,5 miliarda lat temu doszło do łączenia się prokariotów z dwóch linii. To z kolei pozwoliło na powstanie bardziej stabilnego organizmu, który był w stanie czerpać energię z fotosyntezy. W wyniku dalszej ewolucji powstały organizmy, u których ubocznym produktem fotosyntezy był tlen. Pierwiastek ten wzbogacił atmosferę Ziemi, umożliwiając powstanie organizmów, które wykorzystywały tlen w procesach życiowych. Wyższe formy życia nie powstałyby, gdyby to się nie zdarzyło. [Prokarioty - red.] to bardzo ważne organizmy. W czasie, gdy ewoluowały pierwsze prokarioty, w atmosferze Ziemi nie było tlenu - mówi Lake. Dzięki połączeniu dwóch klas prokariotów, powstały nowe organizmy z podwójną błoną komórkową. Później z niego wyewoluowały sinice - pierwsi producenci tlenu na naszej planecie. Zmieniły one skład chemiczny atmosfery i umożliwiły pojawienie się kolejnych, bardziej złożonych form życia.

Suplementacja spiruliną - bogatymi w białko, magnez i beta-karoten cyjanobakteriami z rodzaju Arthrospira - chroni w modelu mysim umierające neurony ruchowe osobników ze stwardnieniem zanikowym bocznym (ang. amyotrophic lateral sclerosis, ALS). Naukowcy z Uniwersytetu Południowej Florydy zauważyli, że uzupełnienie diety myszy z ALS spiruliną opóźnia moment wystąpienia objawów motorycznych (drżeń i spastycznych niedowładów), ogranicza postępy choroby, zmniejsza stężenie markerów zapalnych oraz obumieranie neuronów motorycznych. Amerykanie sądzą, że spirulina wywiera na motoneurony wpływ przeciwzapalny i przeciwutleniający. Na trop właściwości odżywczych tzw. biomasy Arthrospira wpadli niezależnie Aztekowie oraz plemiona zamieszkujące okolice jeziora Czad. ALS jest chorobą prowadzącą do degeneracji neuronów ruchowych. Większość dostępnych metod leczenia usuwa objawy, nie wpływając na samą chorobę. Stwardnienie zanikowe boczne połączono jednak ze stresem oksydacyjnym, a w naszych wcześniejszych badaniach zademonstrowaliśmy silny spadek markerów uszkodzenia oksydacyjnego i stanu zapalnego u starych szczurów, którym podawano spirulinę bądź szpinak. W tym wstępnym studium suplementy diety stosowano tylko u myszy w okresie przedobjawowym. By potwierdzić skuteczność terapii, potrzebne są dalsze badania, które wykażą, że suplementy wpływają na długość życia gryzoni z objawami ALS – tłumaczy dr Svitlana Garbuzova-Davis. W ramach najnowszego eksperymentu porównywano myszy z ALS, które przez okres 10 tygodni dostawały spirulinę, z kontrolną grupą zwierząt. W przyszłości akademicy zamierzają zliczać motoneurony i bacznie obserwować długość życia gryzoni z objawami choroby, którym będzie podawana spirulina.

Chlorofil - związek chemiczny pozwalający roślinom (a także glonom i niektórym bakteriom) na czerpanie energii w procesie fotosyntezy można uznać za podstawę istnienia życia na Ziemi w ogóle. Dlatego odkrycie nowego, nieznanego typu chlorofilu jest wydarzeniem w biologii. Dotychczas znano cztery rodzaje chlorofilu. Najbardziej rozpowszechnione są chlorofil A i B, znajdowane u roślin zielonych. Oba te typy chlorofilu pochłaniają głównie światło widzialne w zakresie niebieskim (około 465 nanometrów) oraz żółtopomarańczowym/czerwonym (665 nm), odbijając światło zielone (stąd bierze się zielony dla nas kolor roślinności). Chlorofil C i D znajdowany jest u mniej licznych organizmów, głównie u glonów. Rodzaj C pochłania światło podobnie do A i B, z trochę przesuniętym spektrum, zaś D głównie czerwone (697 nm). Nową odmianę chlorofilu, nazwaną „F", odkryto w stromatolitowych skałach basenu Hamelin, w Zatoce Rekina w zachodniej Australii. Ponieważ znaleziono go w ekstraktach z osadów dennych, nie jest jeszcze pewne, jakie organizmy go wytwarzają, wg Mina Chena, biologa molekularnego na University of Sydney, który dokonał odkrycia, najbardziej prawdopodobnym ich twórcą są nitkowate cyjanobakterie, czyli sinice. Największą jednak sensacją jest to, że chlorofil F absorbuje światło o długości nieużytkowanej przez inne organizmy. Wykorzystuje on promieniowanie tuż spoza czerwonego końca widma widzialnego, czyli bliską podczerwień. To zmienia całkowicie pojęcie o możliwościach chlorofilu. Co ciekawe, budową niewiele różni się od znanych odmian chlorofilu i prawdopodobnie jest wykorzystywany przez organizmy żyjące nisko, w miejscach, gdzie pozostałe spektrum światła jest już pochłonięte przez konkurencję. Naukowcy snują już plany praktycznego wykorzystania odkrycia. Chcą przy pomocy inżynierii genetycznej wprowadzić chlorofil F do wybranych gatunków glonów, tak udoskonalone, absorbowałyby większą część spektrum światła i były znacznie wydajniejszymi producentami na przykład biopaliw.

Naukowcy z University of Tennessee opracowali prostą i potencjalnie użyteczną metodę wytwarzania wodoru, opartą o wykorzystanie cyjanobakterii (sinic). Wydajność nowej technologii syntezy tego gazu, uznawanego za jedno z potencjalnych paliw przyszłości, osiąga wartość 25-krotnie wyższą od metod wykorzystywanych obecnie. Sercem reaktora pozwalającego na wytwarzanie wodoru (H2) jest fotosystem I (PS I) - wielocząsteczkowy kompleks obecny w komórkach sinic, ale także roślin i organizmów zaliczanych do glonów. W normalnych warunkach bierze on udział w fotosyntezie, lecz dzięki odizolowaniu od części elementów współodpowiedzialnych za ten proces możliwe było wykorzystanie jego aktywności do wytwarzania wodoru. Aby umożliwić wytwarzanie czystego H2, zespół Barry'ego Bruce'a wyizolował kompleksy PS I z komórek sinic i połączył je z nanocząstkami platyny. Tak przygotowany katalizator umieszczono w przezroczystym pojemniku, po czym do jego roztworu dodano cząsteczki cytochromu c6 - innego białka biorącego udział w wytwarzaniu nośników energii chemicznej. Substratem do syntezy cząsteczek wodoru są elektrony uwalniane podczas utleniania cytrynianu sodu - związku łatwego do uzyskania w procesach biotechnologicznych. Po uwolnieniu elektrony są przechwytywane przez cytochrom c6, a następnie przekazywane do kompleksów PS I i platyny, które pobierają z otaczającego je roztworu jony wodorowe (H+), a następnie, wykorzystując energię pozyskaną ze światła słonecznego, łączą je z elektronami. Produktem tego procesu są cząsteczki H2 - ważnego surowca chemicznego oraz nośnika energii mogącego znaleźć zastosowanie m.in. w przemyśle i motoryzacji. Największą zaletą nowej metody jest jej wydajność, osiągająca poziom 25-krotnie wyższy, niż w przypadku technologii stosowanych dotychczas. Jest to możliwe dzięki wyselekcjonowaniu ciepłolubnych sinic jako źródła PS I. Kompleksy te mogą działać nawet w temperaturze 55°C, co pozwala na znaczne zwiększenie szybkości zachodzących reakcji. Czy to wystarczy, by wodór stał się podstawowym paliwem niedalekiej przyszłości? Dowiemy się tego za kilka lat.

W organizmie człowieka wiele procesów życiowych, m.in. sen, produkcja hormonów czy regulacja temperatury ciała, przebiega w rytmie dobowym. Te genetycznie zaprogramowane wzorce działają nawet pod nieobecność następujących po sobie dni i nocy, a występują u niemal wszystkich organizmów. Naukowcy z MIT-u i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) odkryli ostatnio, że u sinic rytmy dobowe określają tempo podziałów komórkowych. Sinice, zwane również cyjanobakteriami, prowadzą fotosyntezę, dlatego są bardziej aktywnie w ciągu dnia, a nocą przechodzą fazę spoczynku. U organizmów wielokomórkowych podział komórek jest niezbędny dla odnowy i naprawy uszkodzeń, ale niekontrolowane namnażanie prowadzi do nowotworów. Z tego powodu zrozumienie, jak komórki się dzielą, ma fundamentalne znaczenie – tłumaczy Susan Golden, profesor biologii molekularnej z UCSD. Dwanaście lat temu Golden i inni zidentyfikowali u sinic 3 białka regulujące zegar biologiczny. Istniały pewne dowody, że rytm okołodobowy kontroluje podziały komórkowe, ale nie było wiadomo, jaki dokładnie charakter ma ta zależność. Obecnie zespół pracujący pod kierownictwem prof. Alexandra van Oudenaardena z MIT-u stwierdził, że w stałym świetle o umiarkowanym natężeniu cyjanobakterie dzielą się średnio raz dziennie, a podziały mają miejsce głównie w połowie 24-godzinnego cyklu. Naukowcom udało się przyspieszyć dzielenie, wzmagając intensywność oświetlenia. W takich warunkach komórki nasilały fotosyntezę, co pozwalało im uzyskać większą ilość energii. Zaczynały się dzielić częściej, ale nadal w powiązaniu z zegarem biologicznym: w jednej czwartej i trzech czwartych cyklu. Amerykanie zauważyli, że we wszystkich warunkach po ok. 19 godzinach sinice wchodziły w fazę spoczynku. Akademicy przez tydzień śledzili rytmy dobowe pojedynczych komórek. Udało się to dzięki oznaczeniu protein zarządzających zegarem biologicznym żółtym fluorescencyjnym białkiem. W ten sposób w 24-godzinnym cyklu można było ustalić pozycję każdej komórki. Dodatkowo co 40 min komórki fotografowano, naukowcy wiedzieli więc, kiedy się dzieliły. Technika monitorowania pojedynczych komórek pozwoli w przyszłości ujawnić związki między rytmem okołodobowym a innymi cyklicznymi procesami komórkowymi, np. metabolizmem. Prof. Golden planuje dalsze eksperymenty na sinicach, jednak van Oudenaarden wspomina także o drożdżach i komórkach ludzkich. Wcześniej profesorski tandem opisał mechanizm molekularny, za pośrednictwem którego białka zegara biologicznego cyjanobakterii (KaiA, KaiB i KaiC) kontrolują cykl komórkowy. Okazało się, że regulują one aktywność czwartego białka FtsZ, nie dopuszczając do jego przemieszczania w okolice płaszczyzny równikowej i utworzenia pierścienia.

Jak bardzo "okrojony" może zostać metabolizm żywego organizmu? Wydawać by się mogło, że odpowiedzi na to pytanie należy poszukiwać na drodze badań nad organizmami genetycznie modyfikowanymi w celu blokowania u nich kolejnych dróg przemiany materii i energii. Natura dostarcza jednak niesamowitych modeli do badań nad tym zagadnieniem, o czym świadczy mikroorganizm odkryty przez dr. Jonathana Zehra z University of California. Gatunek zidentyfikowany przez dr. Zehra, noszący tymczasową nazwę UCYN-A, należy najprawdopodobniej do cyjanobakterii. Jest to jednak klasyfikacja co najmniej liberalna, nie wytwarza on bowiem wielu enzymów uznawanych za charakterystyczne dla tej grupy i jednocześnie niemal całkowicie niezbędnych do przeżycia na Ziemi. Mimo to UCYN-A żyje w oceanach i ma się nieźle, a do tego przeprowadza... wiązanie azotu atmosferycznego, proces uznawany za jeden z najbardziej energochłonnych w przyrodzie. Odkrycia UCYN-A dokonano w 1998 r. Wydawało się wówczas, że jest to zwykła cyjanobakteria, zdolna, jak ogromna większość jej krewniaków, do przeprowadzania fotosyntezy. Dopiero w 2008 roku dr Zehr ogłosił jednak na łamach prestiżowego czasopisma Science, że mikroorganizm ten nie syntetyzuje fotosystemu II - układu cząsteczek potrzebnego do wytwarzania chemicznych nośników energii dzięki energii światła. Jak się jednak okazało, było to dopiero pierwsze z wielu interesujących odkryć dotyczących tego gatunku. Wyniki swoich najnowszych badań naukowiec z Kalifornii opublikował w ostatnich dniach w czasopiśmie Nature. Dzięki kompleksowej analizie genomu UCYN-A wykazano, że badany mikroorganizm jest pozbawiony także wielu innych szlaków metabolicznych uznawanych za bardzo ważne dla życia. Należą do nich m.in.: cykl Calvina (seria przemian biochemicznych związanych z fotosyntezą), cykl Krebsa (konieczny dla zajścia wydajnego oddychania tlenowego), a nawet synteza ponad połowy z 20 podstawowych aminokwasów - elementów budulcowych białek. Jest naprawdę "odarty", ocenia metabolizm UCYN-A James Tripp, badacz z zespołu dr. Zehra. Moje analizy wykazują, że musi on korzystać z zewnętrznych źródeł cukrów, aminokwasów oraz dwóch z czterech zasad potrzebnych do wytwarzania DNA, opisuje naukowiec. Jednocześnie Tripp wymienia kolejną ciekawą cechą badanego mikroorganizmu: zdolność do przeprowadzania wiązania azotu atmosferycznego do form użytecznych biologicznie, jednego z najbardziej kosztownych pod względem energetycznym procesów w przyrodzie. Skąd niezwykła cyjanobakteria pobiera energię do życia? Tego aktualnie nie wie nikt. Teoretycznie wiele wskazuje na to, że może ona korzystać z pomocy symbiontów, lecz dotychczasowe badania nie wskazują na istnienie jakiegokolwiek organizmu ściśle współpracującego z UCYN-A. Kolejny raz mamy więc okazję przekonać się, jak niewiele wiemy o życiu na naszej planecie...

Zespół prof. Ravena H. Huanga z University of Illinois zidentyfikował u cyjanobakterii Anabaena variabilis system precyzyjnej naprawy uszkodzonych cząsteczek RNA. Nigdy dotąd mechanizmu takiego nie odkryto u bakterii. Nietypowy proces zachodzi dzięki dwóm białkom, Hen1 oraz Pnkp, kodowanym przez geny zorganizowane w tzw. operon, czyli układ zapewniający ich równoczesną aktywację w reakcji na określone warunki środowiska. Organizacja taka nie jest przypadkowa, okazało się bowiem, że zajście procesu naprawy jest ściśle zależne od syntezy obu tych białek i ich wejścia we wzajemną interakcję. Dzięki serii eksperymentów in vitro udało się wykazać, że kompleks Hen1/Pnkp skutecznie naprawia uszkodzenia RNA wywołane przez enzymy z grupy kolicyn i przywraca prawidłową strukturę naruszonych cząsteczek. Dodatkowo zaobserwowano, że w miejscu naprawionego uszkodzenia dochodzi do tzw. metylacji RNA, czyli przyłączenia do niego grupy metylowej -CH3. Modyfikacja taka zapewnia cząsteczce oporność na kolicyny, dzięki czemu ponowne zetknięcie z enzymem nie jest dla nich groźne. Jak zaznacza żartobliwie prof. Huang, oznacza to, że "naprawione" RNA jest dzięki temu nawet "lepsze niż nowe".

Zakwity cyjanobakterii mogą prowadzić do wytworzenia neurotoksyn i zatrucia łańcucha pokarmowego. Skutkują też znacznym obniżeniem zawartości tlenu rozpuszczonego w wodzie. Niełatwo z nimi walczyć, ale naukowcy z University of Hull poradzili sobie z problemem za pomocą ultradźwięków (Applied Acoustics). Podobną metodę testowano już wcześniej, ale uzyskiwano mieszane rezultaty. Michiel Postema i zespół uważają, że wynikało to z niewłaściwego podejścia. Brytyjczycy sądzą, że ultradźwięki oddziałują na heterocyty – komórki wyspecjalizowane w wiązaniu azotu z atmosfery. Gaz ten pozwala sinicom unosić się na powierzchni. Pod wpływem ultradźwięków azot zaczyna rezonować, a przy dużej częstotliwości dochodzi do rozsadzenia komórki. Koniec końców bakterie zwyczajnie toną, a bez dostępu do światła nie mogą prowadzić fotosyntezy. Brytyjski zespół skoncentrował się na Anabaena sphaerica – szczególnie szkodliwych sinicach, które u stykających się z nimi ludzi wywołują choroby układu oddechowego i nowotwory wątroby. Potraktowano je ultradźwiękami o 3 częstotliwościach. Mimo że wszystkie były skuteczne w jakimś stopniu, najlepiej sprawdzały się dźwięki o częstotliwości ok. 1 megaherca. Tego się zresztą spodziewano po wyliczeniu częstotliwości rezonansowej dla heterocytu o średnicy 6 mikrometrów. Opisana metoda usuwania zakwitów wydaje się bardzo bezpieczna dla ekosystemów. Ultradźwięki można by dostrajać do określonych gatunków, ponieważ ich częstotliwość rezonansowa różni się ze względu na niejednakowe rozmiary. Co więcej, rośliny wypełnione wodą nie ulegałyby uszkodzeniu, ponieważ są one stosunkowo niepodatne na oddziaływania fal ciśnieniowych.

Jaki jest idealny sposób na zdobycie "monopolu" na zamieszkiwanie na określonym obszarze? Wyjątkowo dobrym pomysłem wydaje się być dostosowanie się do przeżycia przy ogromnym niedoborze substancji odżywczej uznawanej za jedną z najważniejszych dla organizmów żywych. Właśnie to uczyniły gatunki żyjące w wyjątkowo niegościnnych wodach Morza Sargassowego. Odkrycia dokonali naukowcy z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), prywatnego instytutu zajmującego się badaniami oceanograficznymi. Jak donoszą odkrywcy, zaobserwowane przez nich komórki wykazują cechy świadczące o doskonałym dostosowaniu do warunków skrajnie obniżonej zawartości fosforu i azotu w wodzie. Odnalezione w Morzu Sargassowym organizmy należą do kokolitoforów oraz okrzemek, jednokomórkowych składników planktonu roślinnego. Jak twierdzą naukowcy z WHOI, błony komórkowe tych glonów są pozbawione fosfolipidów - związków z grupy tłuszczowców, uznawanych dotąd za niezbędny składnik tych struktur. Zamiast tego, organizmy te wytwarzają lipidy bogate w betainę - związek o strukturze zbliżonej do jednego z aminokwasów wchodzących w skład białek, lecz niezawierający fosforu. Pozwala to na bardzo istotne ograniczenie zapotrzebowania na ten pierwiastek, który w wodach Morza Sargassowego dostępny jest w wyjątkowo niewielkich ilościach. Gdy wydawało się, że dokonano przełomowego odkrycia, okazało się, że... ewolucja zaszła jeszcze dalej. Okazało się bowiem, że jeszcze lepiej dostosowane do niedostatku podstawowych składników są sinice (cyjanobakterie) - organizmy zdolne do przeprowadzania fotosyntezy, lecz zaliczane ze względu na budowę komórek do królestwa bakterii. Jak wykazały badania, budowa błon komórkowych sinic jest jeszcze prostsza, niż u kokolitoforów i okrzemek. Zamiast zawierającej azot betainy, cząsteczki lipidów otaczające ich komórki powstają przy udziale związku zwanego SQDG, zawierającego siarkę. Pozwala to cyjanobakteriom nie tylko na przeżycie przy obniżonej zawartości fosforu, lecz także na ominięcie kolejnego poważnego ograniczenia, jakim jest skrajnie niskie stężenie azotu. Zdolność do życia w środowisku niemal całkowicie pozbawionym związków azotu i fosforu, dwóch pierwiastków uznawanych za podstawowe budulce żywych komórek, zapewnia sinicom niezwykłą przewagę w ewolucyjnym wyścigu o zasoby środowiska. Zdaniem jednego z autorów odkrycia, Benjamina van Mooya, zebrane informacje mogą odegrać istotną rolę w badaniach nad funkcjami życiowymi planktonu i całych ekosystemów morskich. Jedyny problem mają teraz autorzy podręczników biologii, którzy muszą napisać od nowa przynajmniej niektóre rozdziały swoich dzieł...