Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

Tarak denizanası okyanus tabanındaki basınçlı yaşama nasıl uyum sağladı?

---

Bu derinlikte yaşayan hayvanlar, bu zorlu koşullarda hayatta kalmalarını sağlayan biyofiziksel adaptasyonlar geliştirmiştir. Bu adaptasyonlar nelerdir ve nasıl gelişmiştir?

İncelenen beş taraklı jöle türünden oluşan bir kolaj. Sağdaki iki örnekte görülen kırmızı renk, derin deniz hayvanları arasında yaygındır. Fotoğraf: bilgileri: 2021 Jacob Winnikoff

Okyanusun tabanı çok misafirperver değildir. Işık yoktur, sıcaklık çok düşüktür ve üstteki tüm suyun basıncı sizi kelimenin tam anlamıyla ezer. Bu derinlikte yaşayan hayvanlar, bu zorlu koşullarda hayatta kalmalarını sağlayan biyofiziksel adaptasyonlar geliştirmiştir. Bu adaptasyonlar nelerdir ve nasıl gelişmiştir?

California San Diego Üniversitesi Kimya ve Biyokimya Yardımcı Doçenti Itay Budin, ülkenin dört bir yanından araştırmacılarla bir araya gelerek taraklı denizanalarının  hücre zarlarını inceledi ve yoğun basınç altında yaşamalarına olanak tanıyan benzersiz lipit yapılarına sahip olduklarını keşfetti. Çalışmaları Science dergisinde yayınlanmıştır .

Ortama uyum sağlamak 

Tarak denizanaları Ctenophora filumunu oluşturur (tee-no-for-a olarak telaffuz edilir). Bir voleybol topu kadar büyüyebilen, dünyanın her yerindeki okyanuslarda ve yüzeyden denizin derinliklerine kadar çeşitli derinliklerde yaşayabilen hayvanlardır .

Hücre zarları, hücrelerin düzgün çalışabilmesi için belirli özellikleri koruması gereken ince lipit ve protein tabakalarına sahiptir. Onlarca yıldır bazı organizmaların lipitlerini aşırı soğukta akışkanlığı koruyacak şekilde uyarladıkları (homeoviskoz adaptasyon olarak adlandırılır) bilinmesine rağmen, derin denizde yaşayan organizmaların aşırı basınca nasıl adapte oldukları ya da basınca adaptasyonun asıl değişim olup olmadığı bilinmiyordu. Tıpkı soğuğa adaptasyon gibi.

Budin, E. coli bakterilerinde homeoviskoz adaptasyon üzerinde çalışıyordu ancak Monterey Bay Akvaryumu Araştırma Enstitüsü'nün (MBARI) kıdemli bilim adamı Steven Haddock, ktenoforların aşırı basıncı telafi etmek için aynı homeoviskoz adaptasyona sahip olup olmadığını sorduğunda Budin'in ilgisini çekti.

Karmaşık organizmaların farklı tipte lipitleri vardır. Kalpte akciğerlerden farklı olanlar vardır, akciğerler de deridekilerden farklıdır, vb. Ayrıca farklı şekillere sahiptirler, bazıları silindiriktir ve bazıları koni şeklindedir.

Ktenoforların soğuğa ve basınca aynı mekanizmayla adapte olup olmadıklarını cevaplamak için ekibin sıcaklık değişkenini kontrol etmesi gerekiyordu. Hem MBARI hem de UC San Diego'da çalışan çalışmanın baş yazarı Jacob Winnikoff, Kaliforniya'da okyanusun dibinde yaşayanlar  ve yüzeyde olanlar da dahil olmak üzere kuzey yarımkürede toplanan ktenoforları analiz etti. 

Budin, "Ktenoforların, yoğun soğuğu telafi edenlerden farklı, yoğun basıncı telafi etmek için benzersiz lipit yapıları geliştirdikleri ortaya çıktı."

Araştırmacılar bu adaptasyonu "homeocurvature" olarak adlandırıyor çünkü lipitlerin eğri oluşturan şekli, ktenoforların benzersiz yaşam alanlarına uyum sağlıyor. Derin denizde koni şeklindeki lipitler abartılı koni şekillerine dönüşmüştür. Okyanusun basıncı abartıyı ortadan kaldırır, böylece lipit şekli normal olur, ancak yalnızca bu aşırı basınçlarda. Derin denizdeki ktenoforlar yüzeye çıkarıldığında abartılı koni şekli geri döner, zarlar ayrılır ve hayvanlar parçalanır.

Abartılı koni şekline sahip moleküller, plazmalojenler adı verilen bir fosfolipit türüdür. Plazmalojenler insan beyinlerinde bol miktarda bulunur ve azalan bollukları genellikle azalan beyin fonksiyonuna ve hatta Alzheimer gibi nörodejeneratif hastalıklara eşlik eder. Bu onları bilim insanları ve tıp araştırmacıları için çok ilginç hale getirir.

Budin , "Ktenoforları incelemeyi seçmemizin nedenlerinden biri, lipit metabolizmalarının insanlara benzer olmasıdır" dedi. "Plazmalojenleri bulduğumda şaşırmadım ama bunların derin denizdeki bir ktenoforun lipit sayısının dörtte üçünü oluşturduğunu görünce şok oldum."

Bu keşfi daha da ileri düzeyde test etmek için ekip, E. coli'ye geri döndü ve biri değiştirilmemiş bakterilerle, ikincisi ise plazmalojenleri sentezlemek üzere biyomühendislikle işlenmiş bakterilerle  yüksek basınçlı odalarda iki deney gerçekleştirdi: Değiştirilmemiş E. coli ölürken, plazmalojen içeren E. coli türü çoğaldı.

Bu deneyler birkaç yıl boyunca ve birden fazla kurum ve disiplinden işbirlikçilerle yürütüldü. UC San Diego'da, biyofizik ve mikrobiyoloji deneylerini yürüten Budin'e ek olarak, Kimya ve Biyokimya alanında Seçkin Profesör Edward Dennis'in laboratuvarı kütle spektrometrisi ile lipit analizi gerçekleştirdi. MBARI'deki deniz biyologları incelemek üzere ktenoforlar topladı, Delaware Üniversitesi'ndeki fizikçiler ise farklı basınçlarda membran davranışlarını doğrulamak için bilgisayar simülasyonları çalıştırdı.

Hücrelerin lipit üretimini nasıl düzenlediğini incelemekle ilgilenen Budin, bu keşfin plazmalojenlerin beyin sağlığı ve hastalıklarında oynadığı role ilişkin daha fazla araştırmaya yol açacağını umuyor.

"Sanırım araştırma, plazmalojenlerin gerçekten benzersiz biyofiziksel özelliklere sahip olduğunu gösteriyor" dedi. "Şimdi soru şu: Bu özellikler kendi hücrelerimizin işlevi için ne kadar önemli? 

More information: Jacob R. Winnikoff et al, Homeocurvature adaptation of phospholipids to pressure in deep-sea invertebrates, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adm7607

Journal information: Science 

---