জীবাণু একটি 'প্রোটন পাম্প' থেকে সালোকসংশ্লেষণের সুপার পাওয়ার অর্জন করেছে | কোয়ান্টা ম্যাগাজিন

সালোকসংশ্লেষণের উল্লেখ করার সময় একটি ঘন রেইনফরেস্ট বা অন্যান্য সবুজ স্থলজ উদ্ভিদের কথা প্রথমে মনে আসে। তবুও ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটনের মেঘ যা মহাসাগরগুলিকে ভরাট করে তা প্রকৃতির সেই প্রক্রিয়ার প্রধান চালক। উদ্ভিদের মতো এককোষী জলজ জীবাণু বায়ুমণ্ডলে 50% এরও বেশি অক্সিজেন উৎপন্ন করে এবং তারা প্রায় অর্ধেক কার্বন ডাই অক্সাইড শোষণ করে, এটিকে গ্লুকোজ, চর্বি, প্রোটিন এবং অন্যান্য জৈব অণুতে রূপান্তরিত করে যা মহাসাগরের খাদ্য জালকে পুষ্ট করে। .

A সম্প্রতি প্রকাশিত অধ্যয়ন in বর্তমান জীববিদ্যা অবশেষে এই অতুলনীয় সালোকসংশ্লেষণ দক্ষতার উৎস খুঁজে বের করে, যা বিজ্ঞানীদের দীর্ঘকাল বিভ্রান্ত করেছে। নতুন গবেষণায় দেখা গেছে যে কিছু ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটন একটি অতিরিক্ত অভ্যন্তরীণ ঝিল্লি দিয়ে সজ্জিত যা একটি "প্রোটন পাম্প" এনজাইম বহন করে যা তাদের কার্বন ডাই অক্সাইডকে অন্যান্য পদার্থে রূপান্তর করার ক্ষমতাকে সুপারচার্জ করে। এই একটি প্রোটিন পরিবর্তনের কারণে বর্ধনগুলি বাতাসে প্রায় 12% অক্সিজেন এবং সমুদ্রের সমস্ত কার্বন "স্থির" (জৈব যৌগের মধ্যে বদ্ধ) এর 25% উত্পাদনে অবদান রাখে বলে মনে হয়।

আশ্চর্যজনকভাবে, যে সালোকসংশ্লেষী উদ্ভাবনটি ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটনের পূর্বপুরুষের মধ্যে হজমের জন্য ব্যবহৃত একটি ঝিল্লি প্রোটিন থেকে সুযোগ দ্বারা বিবর্তিত হয়েছে বলে মনে হয়। সালোকসংশ্লেষণে কোষের দক্ষতা ব্যাখ্যা করার পাশাপাশি, নতুন কাজটি এই তত্ত্বটি নিশ্চিত করতে সাহায্য করে যে এই ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটনগুলি একটি প্রোটোজোয়ান এবং একটি স্থিতিস্থাপক সবুজ শৈবালের মধ্যে একটি সিম্বিওটিক জোটের মাধ্যমে উদ্ভূত হয়েছিল।

"আমি এটিকে বিস্ময়কর মনে করি যে একটি প্রোটন এনজাইম যা আমরা এত দশক ধরে জানি পৃথিবীতে এমন একটি গুরুত্বপূর্ণ ঘটনা বজায় রাখার জন্য দায়ী," বলেন ডেনিস ব্রাউন, হার্ভার্ড মেডিকেল স্কুলের একজন কোষ জীববিজ্ঞানী যিনি মেমব্রেন প্রোটিনের কার্যাবলী অধ্যয়ন করেন এবং গবেষণায় জড়িত ছিলেন না।

গবেষকরা জানতেন যে ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটনের নির্দিষ্ট শ্রেণী - ডায়াটম, ডাইনোফ্ল্যাজেলেট এবং কোকোলিথোফোরস - তাদের ব্যতিক্রমী সালোকসংশ্লেষণ ক্ষমতার জন্য আলাদা। এই কোষগুলি তাদের পরিবেশ থেকে কার্বন ডাই অক্সাইড শোষণ করতে এবং সালোকসংশ্লেষণের জন্য এটিকে তাদের ক্লোরোপ্লাস্টে নির্দেশ করতে অত্যন্ত দক্ষ, তবে কেন তারা এতে এত ভাল তার বিশদটি খুব স্পষ্ট নয়। ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটনের এই তিনটি গোষ্ঠীর জন্য অনন্য একটি বৈশিষ্ট্য, তবে, তাদের ক্লোরোপ্লাস্টের চারপাশে একটি অতিরিক্ত ঝিল্লি রয়েছে।

সাত বছর আগে মাইক্রোবায়োলজিস্ট ড ড্যানিয়েল ইয়ে, নতুন গবেষণার প্রধান লেখক, ক্যালিফোর্নিয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের সান দিয়েগোর স্ক্রিপস ইনস্টিটিউশন অফ ওশানোগ্রাফিতে ডক্টরেটের জন্য ডায়াটম অধ্যয়ন করছিলেন। সালোকসংশ্লেষণ তার ফোকাস ছিল না; তিনি বুঝতে চেয়েছিলেন কীভাবে ডায়াটমগুলি তাদের অভ্যন্তরীণ অম্লতা নিয়ন্ত্রণ করে পুষ্টির সঞ্চয় করতে এবং তাদের শক্ত সিলিকা কোষ প্রাচীর তৈরি করতে। কিন্তু তিনি তাদের ক্লোরোপ্লাস্টের চারপাশে অনন্য অতিরিক্ত ঝিল্লি লক্ষ্য করতে থাকেন।

তিনি জানতে পেরেছিলেন যে অতিরিক্ত ঝিল্লিকে গবেষকরা ব্যাপকভাবে একটি প্রাচীন, ব্যর্থ হজমের অবশিষ্টাংশ হিসাবে বিবেচনা করেছিলেন। বিজ্ঞানীরা অনুমান করেছিলেন যে প্রায় 200 মিলিয়ন বছর আগে, একটি শিকারী প্রোটোজোয়ান একটি এককোষী সালোকসংশ্লেষী শৈবাল খাওয়ার চেষ্টা করেছিল। এটি একটি ঝিল্লির কাঠামোতে স্থিতিস্থাপক শৈবালকে আবৃত করে যা এটি হজম করার জন্য একটি খাদ্য ভ্যাকুওল নামে পরিচিত, কিন্তু অজানা কারণে, হজম হয়নি। পরিবর্তে, শৈবালটি বেঁচে ছিল এবং প্রোটোজোয়ানের একটি সিম্বিওটিক অংশীদার হয়ে ওঠে, এটিকে এর সালোকসংশ্লেষণের ফল খাওয়ায়। এই অংশীদারিত্ব প্রজন্মের পর প্রজন্ম ধরে গভীরতর হয়েছে যতক্ষণ না নতুন টু-ইন-ওয়ান জীব আজ আমরা জানি ডায়াটমে বিকশিত হয়। কিন্তু ঝিল্লির অতিরিক্ত স্তর যা খাদ্যশূন্যতা ছিল তা কখনই অদৃশ্য হয়নি।

1990 এর দশকের শেষদিকে, কিছু বিজ্ঞানী অনুমান করেছেন যে প্রাক্তন খাদ্য ভ্যাকুওল এখনও প্রোটন পাম্প নামে একটি ট্রান্সমেমব্রেন চ্যানেল প্রোটিন বহন করার সম্ভাবনা ছিল। প্রোটন পাম্পগুলি অত্যন্ত বহুমুখী অণু যা জীবের বিভিন্ন কাজের জন্য বিশেষায়িত হতে পারে, হজম থেকে রক্তের অম্লতা নিয়ন্ত্রণ করা থেকে নিউরনকে সংকেত পাঠাতে সহায়তা করা পর্যন্ত, মাইক্রোবায়োলজিস্ট ব্যাখ্যা করেছেন মার্টিন ট্রেসগুয়েরেস, নতুন গবেষণার সিনিয়র সহ-লেখক এবং ইউসিএসডি-তে ইয়ের প্রাক্তন উপদেষ্টা। স্তন্যপায়ী প্রাণীদের মধ্যে, এক ধরণের প্রোটন পাম্প হাড়ের অঞ্চলগুলির মধ্যে অত্যন্ত ক্ষয়কারী অ্যাসিডিক অবস্থা তৈরি করতে পারে যাতে তাদের খনিজ কাঠামো ভেঙে যায় এবং সময়ের সাথে সাথে দ্রবীভূত হয়।

ইয়ে দেখতে পেয়েছেন যে একই প্রোটন পাম্প ডায়াটমকে তাদের শক্ত সিলিকা শেল তৈরি করতে সহায়তা করে। কিন্তু প্রোটন পাম্পের বহুমুখীতা এবং ক্লোরোপ্লাস্টের সাথে এর সরাসরি সংযোগ বিবেচনা করে, তিনি নিশ্চিত হন যে এটি আরও বেশি করেছে।

আণবিক জীববিজ্ঞানের কৌশলগুলির সংমিশ্রণ ব্যবহার করে, Yee এবং তার দল নিশ্চিত করেছে যে ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটন ক্লোরোপ্লাস্টের চারপাশে অতিরিক্ত ঝিল্লিতে একটি সক্রিয়, কার্যকরী প্রোটন পাম্প রয়েছে - যাকে VHA বলা হয় যা প্রায়শই খাদ্য শূন্যতায় হজমের ভূমিকা পালন করে। এমনকি তারা প্রোটন পাম্পকে একটি ফ্লুরোসেন্ট প্রোটিনে মিশ্রিত করেছে যাতে তারা এটিকে বাস্তব সময়ে কাজ করতে দেখতে পারে। তাদের পর্যবেক্ষণগুলি কীভাবে ডায়াটমগুলি তাদের ক্লোরোপ্লাস্টের চারপাশে অতিরিক্ত ঝিল্লি অর্জন করে তার এন্ডোসিম্বিওটিক তত্ত্বকে সমর্থন করেছিল।

ইয়ে, ট্রেসগুয়েরেস এবং তাদের সহকর্মীরা কীভাবে প্রোটন পাম্প ক্লোরোপ্লাস্টের সালোকসংশ্লেষিক কার্যকলাপকে প্রভাবিত করতে পারে সে সম্পর্কেও কৌতূহলী ছিল। খুঁজে বের করার জন্য, তারা প্রোটন পাম্পের ক্রিয়াকলাপ বন্ধ করার জন্য একটি প্রতিরোধক ওষুধ, কনকানামাইসিন A ব্যবহার করেছিল যখন তারা পর্যবেক্ষণ করেছিল যে ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটন কার্বনে কার্বনে কতটা কার্বন যুক্ত করে এবং অক্সিজেন উত্পাদন করে। তারা দেখেছেন যে প্রোটন পাম্পের বাধা কোষে কার্বন ফিক্সেশন এবং অক্সিজেন উত্পাদন উভয়ই উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পেয়েছে।

আরও কাজ তাদের বুঝতে সাহায্য করেছিল যে পাম্পটি ক্লোরোপ্লাস্টের কাছে কার্বনকে ঘনীভূত করে সালোকসংশ্লেষণকে উন্নত করে। পাম্পটি সাইটোপ্লাজম থেকে প্রোটনকে অতিরিক্ত ঝিল্লি এবং ক্লোরোপ্লাস্টের মধ্যে বগিতে স্থানান্তরিত করে। কম্পার্টমেন্টে বর্ধিত অম্লতা নিরপেক্ষ করার জন্য বগিতে আরও কার্বন (বাইকার্বনেট আয়ন আকারে) ছড়িয়ে পড়ে। এনজাইমগুলি বাইকার্বোনেটকে আবার কার্বন ডাই অক্সাইডে রূপান্তরিত করে, যা তখন ক্লোরোপ্লাস্টের কার্বন-ফিক্সিং এনজাইমের কাছাকাছি ছিল।

সমগ্র বিশ্ব মহাসাগর জুড়ে অতিরিক্ত ঝিল্লির সাথে ডায়াটম এবং অন্যান্য ফাইটোপ্ল্যাঙ্কটনের বিতরণের পরিসংখ্যান ব্যবহার করে, গবেষকরা এক্সট্রাপোলেট করেছেন যে VHA ঝিল্লি প্রোটিন থেকে এই দক্ষতা বৃদ্ধি পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলীয় অক্সিজেনের প্রায় 12% জন্য দায়ী। এটি প্রতি বছর স্থির সমস্ত মহাসাগরীয় কার্বনের 7% থেকে 25% এর মধ্যে অবদান রাখে। এটি কমপক্ষে 3.5 বিলিয়ন টন কার্বন - বৈশ্বিক বিমান শিল্প বার্ষিক নির্গমনের প্রায় চারগুণ। গবেষকদের অনুমানের উচ্চ পর্যায়ে, ভিএইচএ বছরে 13.5 বিলিয়ন টন কার্বনের জন্য দায়ী হতে পারে।

বায়ুমণ্ডলীয় কার্বন ডাই অক্সাইড কত দ্রুত জৈব অণুতে স্থির হয় তার উপর জলবায়ু পরিবর্তনের প্রভাব অনুমান করার সময় বিজ্ঞানীরা এখন এই ফ্যাক্টরটিকে অন্যান্য বিবেচনার সাথে যুক্ত করতে পারেন, যা নির্দেশ করে যে গ্রহটি কত দ্রুত উষ্ণ হতে থাকবে। এটি সমুদ্রের অম্লতার পরিবর্তনগুলি কার্বন স্থিরকরণ এবং অক্সিজেন উৎপাদনের হারের উপর সরাসরি প্রভাব ফেলবে কিনা সে বিষয়েও আলোচনা করে। ইয়ে বলেছেন যে বিজ্ঞানীরা নতুন আবিষ্কৃত প্রক্রিয়ার উপর ভিত্তি করে জৈবপ্রযুক্তি সমাধানগুলি জলবায়ু পরিবর্তনকে সীমিত করার জন্য কার্বন সিকোয়েস্টেশনের প্রক্রিয়াটিকে বাড়িয়ে তুলতে পারে কিনা তা জিজ্ঞাসা করতে শুরু করতে পারেন।

হ্যাঁ, এখন কে একজন পোস্টডক্টরাল ফেলো গ্রেনোবলের ফ্রেঞ্চ ন্যাশনাল সেন্টার ফর সায়েন্টিফিক রিসার্চের সেল অ্যান্ড প্ল্যান্ট ফিজিওলজি ল্যাবরেটরিতে, গর্বিত যে তার দল এমন একটি পরিবেশগতভাবে গুরুত্বপূর্ণ জীবন ফর্মে কীভাবে সালোকসংশ্লেষণ ঘটে তার জন্য একটি নতুন প্রক্রিয়া সরবরাহ করতে সক্ষম হয়েছিল।

"তবে আমরাও বুঝতে পারি," তিনি বলেছিলেন, "আমরা যত বেশি শিখি, তত কম জানি।"