Karayipler’deki bir mangrov ormanında bilim adamları, insan kirpiklerinin boyutuna ve şekline ulaşan bir bakteri türü keşfettiler.
Bu hücreler, şimdiye kadar gözlemlenen en büyük bakterilerdir ve Escherichia coli gibi daha tanıdık bakterilerden binlerce kat daha büyüktür. Kaliforniya, Berkeley’deki Ortak Genom Enstitüsü’nde mikrobiyolog olan Jean-Marie Volland, “Everest Dağı büyüklüğünde başka bir insanla tanışmak gibi olurdu” dedi.
Dr. Volland ve meslektaşları, Perşembe günü Science dergisinde Thiomargarita magnifica adlı bakteriyle ilgili çalışmalarını yayınladılar.
Bilim adamları daha önce bakterilerin büyük hücreler üretemeyecek kadar basit olduğunu düşündüler. Ancak Thiomargarita magnifica’nın oldukça karmaşık olduğu ortaya çıktı. Bakteri dünyasının çoğu henüz keşfedilmemişken, daha da büyük, hatta daha karmaşık bakterilerin keşfedilmeyi bekliyor olması tamamen mümkündür.
Hollandalı mercek öğütücü Antonie van Leeuwenhoek’in dişlerini kazıyarak bakterileri keşfetmesinin üzerinden yaklaşık 350 yıl geçti. Diş plağını ilkel bir mikroskop altına koyduğunda, tek hücreli organizmaların etrafta yüzdüğünü görünce şaşırdı. Sonraki üç yüzyıl boyunca bilim adamları, tümü çıplak gözle görülemeyen daha birçok bakteri türü buldular. Örneğin bir E. coli hücresi yaklaşık iki mikron veya on binde bir inçten daha küçük bir boyuttadır.
Her bakteri hücresi kendi organizmasıdır, yani büyüyüp bir çift yeni bakteriye bölünebilir. Ancak bakteri hücreleri genellikle birlikte yaşar. Van Leeuwenhoek’in dişleri milyarlarca bakteri içeren jöle benzeri bir sinemayla kaplanmıştı. Göllerde ve nehirlerde bazı bakteri hücreleri birbirine yapışarak küçük filamentler oluşturur.
Biz insanlar çok hücreli organizmalarız, vücudumuz yaklaşık 30 trilyon hücreden oluşur. Hücrelerimiz çıplak gözle de görülmese de, tipik olarak bakterilerinkinden çok daha büyüktürler. Bir insan yumurta hücresi yaklaşık 120 mikron çapa veya bir inçin binde beşine ulaşabilir.
Diğer türlerin hücreleri daha da büyüyebilir: Yeşil alg Caulerpa taxifolia, bir fit uzunluğa kadar büyüyebilen bıçak şeklinde hücreler üretir.
Küçük ve büyük hücreler arasındaki uçurum ortaya çıktıkça, bilim adamları bunu anlamak için evrime baktılar. Hayvanlar, bitkiler ve mantarların tümü, ökaryot adı verilen aynı evrimsel soya aittir. Ökaryotlar, büyük hücreler oluşturmalarına yardımcı olan birçok uyarlamayı paylaşır. Bilim adamları, bu uyarlamalar olmadan bakteri hücrelerinin küçük kalması gerektiğine karar verdiler.
Başlamak için, büyük bir hücrenin çökmemesi veya parçalanmaması için fiziksel desteğe ihtiyacı vardır. Ökaryot hücreler, bir çadırdaki kutuplar gibi işlev gören katı moleküler teller içerir. Bakterilerde ise bu hücresel iskelet yoktur.
Büyük bir hücre de kimyasal bir zorlukla karşı karşıyadır: Hacmi arttıkça, moleküllerin dolaşması ve doğru ortaklarla karşılaşması ve kesin kimyasal reaksiyonlar gerçekleştirmesi daha uzun sürer.
Ökaryotlar, hücreleri farklı biyokimya biçimlerinin gerçekleşebileceği küçük bölmelerle doldurarak bu soruna bir çözüm geliştirmiştir. DNA’larını, protein yapmak için genleri okuyabilen moleküllerle birlikte çekirdek adı verilen bir kese içinde sarmal halde tutarlar veya bir hücre çoğaldığında proteinler yeni DNA kopyaları üretir. Her hücre, mitokondri adı verilen keselerin içinde yakıt üretir.
Bakteriler, ökaryot hücrelerde bulunan bölmelere sahip değildir. Çekirdek olmadan, her bakteri tipik olarak kendi iç çevresinde serbestçe yüzen bir DNA halkası taşır. Ayrıca mitokondrileri yoktur. Bunun yerine, tipik olarak zarlarına gömülü moleküllerle yakıt üretirler. Bu düzenleme küçük hücreler için iyi çalışır. Ancak bir hücrenin hacmi arttıkça, hücrenin yüzeyinde yeterli yakıt üreten moleküller için yeterli yer kalmaz.
Bakterilerin basitliği, neden bu kadar küçük olduklarını açıklıyor gibiydi: Sadece büyümek için gerekli olan karmaşıklığa sahip değillerdi.
Ancak, Menlo Park, California’daki Karmaşık Sistemlerde Araştırma Laboratuvarı’nın kurucusu ve Dr. Volland ile ortak yazar olan Shailesh Date’e göre bu sonuca çok aceleyle varıldı. Bilim adamları, bakteri dünyasının sadece küçük bir bölümünü inceledikten sonra bakteriler hakkında kapsamlı genellemeler yaptılar.
“Sadece yüzeyi çizdik, ama çok dogmatik olduk” dedi.
Bu dogma 1990’larda çatırdamaya başladı. Mikrobiyologlar, bazı bakterilerin bağımsız olarak kendi kompartımanlarını geliştirdiğini buldular. Ayrıca çıplak gözle görülebilen türleri keşfettiler. Örneğin, Epulopiscium fishelsoni 1993’te ortaya çıktı. Cerrah balığının içinde yaşayan bakteri, bir tuz tanesinden daha büyük olan 600 mikrona kadar büyür.
Antil Üniversitesi’nde biyolog olan Olivier Gros, 2009 yılında Fransa’nın bir parçası olan Karayip adalarından oluşan Guadeloupe’nin mangrov ormanlarını incelerken Thiomargarita magnifica’yı keşfetti. Mikrop, suda yüzen ölü ağaç yaprakları üzerinde bir kat oluşturan minyatür beyaz spagetti parçalarına benziyordu.
İlk başta, Dr. Gros ne bulduğunu bilmiyordu. Spagettinin mantar, minik süngerler veya başka bir ökaryot olabileceğini düşündü. Ancak o ve meslektaşları laboratuvardaki örneklerden DNA aldıklarında, bunların bakteri oldukları ortaya çıktı.
Dr. Gros, garip organizmalara daha yakından bakmak için Dr. Volland ve diğer bilim adamlarıyla güçlerini birleştirdi. Bakterilerin zincirler halinde birbirine yapışmış mikroskobik hücreler olup olmadığını merak ettiler.
Durumun böyle olmadığı ortaya çıktı. Araştırmacılar, elektron mikroskopları ile bakteri eriştelerinin içine baktıklarında, her birinin kendi devasa hücresi olduğunu fark ettiler. Ortalama hücre yaklaşık 9.000 mikron uzunluğundaydı ve en büyüğü 20.000 mikrondu – bir kuruşun çapını kaplayacak kadar uzun.
Thiomargarita magnifica üzerindeki çalışmalar yavaş ilerledi çünkü Dr. Vallant ve meslektaşları bakteriyi laboratuvarlarında nasıl büyüteceklerini henüz çözemediler. Şimdilik, Dr. Gros, ekip her yeni deney yapmak istediğinde yeni bir bakteri kaynağı toplamak zorundadır. Onları sadece yapraklarda değil, mangrov ormanındaki kükürt bakımından zengin tortuların üzerinde oturan istiridye kabukları ve plastik şişelerde bulabilir. Ancak bakteriler, öngörülemeyen bir yaşam döngüsü izliyor gibi görünüyor.
Dr. Gros, “Son iki ayda onları bulamıyorum” dedi. “Nerede olduklarını bilmiyorum.”
Guadeloupe takımadalarının mangrovları arasında bir örnekleme alanı. Son zamanlarda, bakterileri orada bulmak zor oldu. Kredi… Pierre Yves Pascal
Araştırmacılar, Thiomargarita magnifica hücrelerinin içinde tuhaf, karmaşık bir yapı keşfettiler. Zarları, içlerinde gömülü birçok farklı türde bölmeye sahiptir. Bu bölmeler kendi hücrelerimizdekilerden farklıdır, ancak Thiomargarita magnifica’nın çok büyük boyutlara ulaşmasına izin verebilirler.
Bölmelerden bazıları, mikrobun mangrovda tükettiği nitratlar ve diğer kimyasallardaki enerjiyi kullanabildiği yakıt üreten fabrikalar gibi görünüyor.
Thiomargarita magnifica, insan çekirdeğine oldukça benzeyen başka bölmelere de sahiptir. Bilim adamlarının kivi gibi meyvelerdeki küçük tohumlardan sonra pepin adını verdikleri bölmelerin her biri bir DNA halkası içerir. Tipik bir bakteri hücresinde sadece bir DNA halkası bulunurken, Thiomargarita magnifica’da her biri kendi pepininin içine sıkışmış yüzbinlerce DNA vardır.
Daha da dikkat çekici olanı, her pepin kendi DNA’sından proteinler oluşturmak için fabrikalar içerir. Louis’deki Washington Üniversitesi’nde mikrobiyolog olan ve çalışmaya dahil olmayan Petra Levin, “Hücrelerin içinde esasen küçük hücreler var” dedi.
Thiomargarita magnifica’nın devasa DNA kaynağı, büyümesi için ihtiyaç duyduğu ekstra proteinleri yaratmasına izin verebilir. Her pepin, bakterinin kendi bölgesinde ihtiyaç duyduğu özel protein setlerini yapabilir.
Dr. Volland ve meslektaşları, bakterileri büyütmeye başladıktan sonra bu hipotezleri doğrulayabileceklerini umuyorlar. Ayrıca, bakterinin moleküler bir iskelet olmadan nasıl bu kadar sert olmayı başardığı gibi diğer gizemleri de çözecekler.
Dr. Volland, “Cımbızla sudan tek bir filament alıp başka bir kaba koyabilirsiniz” dedi. “Nasıl bir arada tutulduğu ve şeklini nasıl aldığı – bunlar henüz yanıtlayamadığımız sorular.”
Dr. Date, belki de Thiomargarita magnifica’dan bile daha büyük, bulunmayı bekleyen daha fazla dev bakteri olabileceğini söyledi.
“Ne kadar büyüyebileceklerini gerçekten bilmiyoruz” dedi. “Ama şimdi, bu bakteri bize yolu gösterdi.”