A Hawaii Egyetem kutatócsoportja a mioglobinszerű fehérjék új osztályát fedezte fel ősi mikroorganizmusokban. Az állatokban a mioglobin (az izomban található) és közeli rokona hemoglobin (a vörösvérsejtek fő fehérje) alapvető szerepet játszik az oxigén szállításában és tárolásában. Az újonnan azonosított fehérjék az oxigénérzékelésben, valamint a szállításban és tárolásban részt vevő fehérjék evolúciós ősei lehetnek.
A brit Nature folyóirat február 3-i számában megjelenő eredmények egy újabb darabbal egészítik ki azt a rejtvényt, hogy mikor és hogyan keletkezett és fejlődött az élet a földön.
A felfedezést megtevő kutatócsoport Maqsudul Alam mikrobiológiai professzor és Randy Larsen kémia docens vezeti, mindketten a Hawaii Egyetemről, a Manoa's Natural Sciences College-ban. Csapatuk klónozta az ezeket a fehérjéket expresszáló géneket, amelyeket azután megtisztítottak és jellemeztek. A Halobacterium salinarum ősi mikroorganizmusból és a szélesebb körben ismert Bacillus subtilis baktériumból származó újonnan felfedezett fehérjék hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek a fehérjék segítenek az oxigén érzékelésében, lehetővé téve a szervezet számára, hogy kedvezőbb oxigénkörnyezetet találjon.
"Ezek a fehérjék segíthetnek megérteni, hogyan fejlődtek ki az érzékszervi rendszerek a magasabb rendű szervezetekben" - mondta Alam, a Nature tanulmány vezető szerzője. A sejteknek folyamatosan érzékelniük kell változó környezetüket, értelmezniük kell az érzetet és alkalmazkodniuk kell az új környezethez. A többsejtű élőlényekben (beleértve az embert is) az érzékelést speciális érzékszervek, valamint olyan összetett mechanizmusok segítségével végzik, amelyek ezen információnak a szervezet más részeihez történő továbbítására szolgálnak.
"Az oxigén jelenléte a Föld légkörében 1-2 milliárd évvel ezelőtt egyszerre volt áldás és átok" - mondja Alam. Az oxigén egy energiában gazdag molekula, amely energiaforrást biztosíthat a sejtek működéséhez. Az oxigén azonban erősen mérgező is lehet. A baktériumsejtek számára az a kihívás, hogy érzékeljék, felfogják és tárolják az oxigént az energiatermeléshez anélkül, hogy a veszélyes mellékhatásoktól szenvednének. Úgy tűnik, hogy az újonnan felfedezett hem fehérjék felelősek az oxigénérzékelésért. Mind a Halobacterium salinarum, mind a Bacillus subtilis más hem fehérjéket is tartalmaz, amelyek az oxigént a sejt számára hasznosítható energiává alakítják.
"Ez a felfedezés elősegíti az erőfeszítéseket annak nyomon követésére, hogy mikor és hol történt a növényi, állati és baktériumok közötti evolúciós szétválás, valamint azt, hogy a keletkező fehérjék hogyan fejlesztettek ki specifikus funkciókat a különböző fajokban" - magyarázza Alam. "Emellett utalhat arra is, hogy mikor és hogyan kezdődött az élet, és módot nyújthat az élet jelenlétének nyomon követésére az Univerzum más részein."
A kutatócsoport Shaobin Hou és Wesley Riley végzős hallgatókból áll, a Hawaii Egyetem Mikrobiológiai Tanszékéről. A projekt további munkatársai között szerepelt George Ordal professzor, valamint Ece Karatan és Mike Zimmer végzős hallgatók az Illinoisi Egyetem Biokémiai Tanszékéről, valamint Dmitri Boudko, a Hawaii Egyetem korábbi posztdoktori kutatója. A kutatás finanszírozását a Nemzeti Tudományos Alapítvány KARRIER-ösztöndíja biztosította.
A hemoglobin evolúciója – háttér
ŐSI TÖRTÉNELEM
Körülbelül 3,8 milliárd évvel ezelőtt jelentek meg az első élőlények a fiatal Föld bolygón. A Föld légkörét alkotó vízgőzt, nitrogént, metánt és ammóniát tudták élelmiszer- és energiaforrásként felhasználni, valószínűleg olyan folyamat révén, amelyet fémek, például vas és magnézium segítettek vagy katalizálnak.
3,3 és 3,5 milliárd évvel ezelőtt megjelentek a cianobaktériumok (kék-zöld algák). Ezek az egysejtű szervezetek képesek voltak a nap energiáját kémiai energiává alakítani hidrogén-szulfid (H2S) segítségével végzett fotoszintézis révén.
1 és 2 milliárd évvel ezelőtt egyes baktériumok alkalmazkodtak a víz (H2O) felhasználásához a fotoszintézisben. Az oxigén, amely a H2O fotoszintézis melléktermékeként szabadul fel, megjelent a Föld légkörében.
Körülbelül 500 millió évvel ezelőtt a hemoglobin és a mioglobin fehérjék fejlődtek ki.
AZ OXIGÉN JELENTŐSÉGE
Az oxigén az élet energiában gazdag alapja; egyes sejtkomponensekre is mérgező. Az oxigénmegkötő képességgel a hemoproteinekként ismert molekulák kezdetben szekvesztráló szerepet játszhattak, megvédve gazdasejtjeiket az O2 toxintól. A tudósok úgy vélik, hogy ezeknek a hemoproteineknek a szerepe végül kibővült, és a légzés során használt oxigén felfogására, szállítására és tárolására szolgáló mechanizmust biztosít.
HASONLÍTÁS
A gerincesekben, gerinctelenekben, növényekben, baktériumokban és néhány más egysejtű szervezetben található oxigént kezelő fehérjék mind rokonok. Az állati, növényi és baktérium hemoglobinok feltűnően hasonlóak mind szerkezetükben, mind aminosav-szekvenciájukban, amelyekből épülnek fel. A figyelemre méltó hasonlóság arra utal, hogy egy közös ősfehérje jelen volt egy ősi szervezetben az eukarióta (magot tartalmazó növényi és állati sejtek) és az eubakteriális életformák evolúciós eltérése előtt. Ami megváltozott, az a funkciójuk szabályozása – mikor és hogyan cselekszenek.
A közös ősfehérje létezésének bizonyítása (amelyet a Nature-cikk javasol) lehetővé tenné a tudósok számára, hogy feltárják mind az evolúciós hasadás időpontját, mind pedig azt, hogy a fehérje változásai hogyan történtek. A kutatók az evolúciót úgy tanulmányozzák, hogy nyomon követik a változások mennyiségét és sorrendjét a meghatározott tulajdonságok genetikai kódolásában. A hemoprotein esetében az evolúciós nyomvonal meghatározása tovább vizsgálná, hogy mikor történt a növény/állat és az eubaktérium szétválása, és hogy a szabályozás változásai hogyan generálták a hemoglobinok különböző funkcióit különböző fajokban.
DEFINÍCIÓK
A mioglobin, a gerincesekben található hemoglobincsalád tagja, vörös színt ad az izmoknak. Oxigént tárol az izmok számára.
A hemoglobin egy olyan fehérje a vérben, amely a vörösvérsejtek színét adja. Megköti az oxigént, és eljuttatja azt az egész test szöveteihez. Egyes növények gyökércsomóiban is megtalálható.
Aerotaxis transzducerek a baktériumokban és archaeákban található új fehérjék elnevezése, ami azt tükrözi, hogy a levegőben és a mozgásban vesz részt. A mioglobinszerű fehérje tartalmaz egy szenzoros modult, amely érzékeli az oxigén jelenlétét, és egy transzmittert, amely jelzi a szervezetnek, hogy reagáljon.
Archaea, azaz ősi, a királyság elnevezése, amely zord környezetben (beleértve a korai Földet is) élő mikroorganizmusokat tartalmaz. A másik két birodalom az eukarióta, amely növényeket és állatokat foglal magában, valamint a baktériumok.
Források:
Ross Hardison, a Pennsylvaniai Állami Egyetem Biokémiai és Molekuláris Biológiai Tanszékének professzora "A hemoglobin evolúciója", megjelent az American Scientistben (87. évf., 1999. március-április)
