Nenek moyang Prochlorococcus berlayar dengan penerbangan exoskeleton

Newswise – Di seluruh lautan, miliaran dan miliaran mikroba mirip tanaman membentuk hutan terapung yang tak terlihat. Saat melayang, mikroorganisme menggunakan sinar matahari untuk menyerap karbon dioksida dari atmosfer. Secara kolektif, plankton fotosintetik, atau fitoplankton ini, menyerap karbon dioksida hampir sebanyak hutan terestrial dunia. Porsi terukur dari otot penyimpan karbon mereka berasal dari Prochlorococcus — fitoplankton mengambang bebas berwarna zamrud yang paling melimpah di lautan saat ini.

Tapi Prochlorococcus tidak selalu menghuni perairan terbuka. Kemungkinan nenek moyang mikroba terjebak di dekat pantai, di mana nutrisi berlimpah dan organisme hidup di tikar mikroba umum di dasar laut. Jadi, bagaimana keturunan penduduk pesisir ini akhirnya menjadi pusat fotosintesis di lautan terbuka saat ini?

Ilmuwan MIT berpikir mendayung adalah kuncinya. Dalam sebuah studi baru, mereka menyarankan bahwa nenek moyang Prochlorococcus memperoleh kemampuan untuk menempelkan diri pada kitin — molekul terdegradasi dari eksoskeleton kuno. Mikroba mengendarai serpihan yang lewat, menggunakan partikel sebagai rakit untuk menjelajah jauh ke laut. Rakit kitin ini mungkin juga telah menyediakan nutrisi penting, memberi makan dan menopang mikroba selama perjalanan mereka.

Dengan demikian, generasi mikroba yang dibentengi memiliki kesempatan untuk mengembangkan kemampuan baru untuk beradaptasi dengan lautan terbuka. Akhirnya, mereka akan berevolusi ke titik di mana mereka bisa melompat kapal dan bertahan hidup seperti penghuni laut terapung yang hidup hari ini.

“Jika Prochlorococcus dan organisme fotosintetik lainnya tidak menjajah lautan, kita akan melihat planet yang sangat berbeda,” kata Roger Brackmann, seorang ilmuwan riset di MIT’s Division of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences (EAPS). “Fakta bahwa mereka mampu mengikatkan diri pada rakit chitinous inilah yang memungkinkan mereka membangun pijakan di bagian biosfer planet yang sama sekali baru dan sangat besar, dengan cara yang mengubah Bumi selamanya.”

Brackmann dan kolaboratornya mempresentasikan hipotesis “kitin rakit” baru mereka, bersama dengan eksperimen dan analisis genetik yang mendukung gagasan tersebut, dalam sebuah penelitian yang muncul minggu ini di PNAS.

Rekan penulis MIT adalah Giovanna Capovella, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Zinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero, dan Profesor MIT Sally (Penny) Chisholm, bersama rekan dari berbagai institusi termasuk Termasuk Institusi Oseanografi Woods Hole.

Gen Aneh

Prochlorococcus adalah salah satu dari dua kelompok besar yang termasuk dalam kelas yang dikenal sebagai picocyanobacteria, dan merupakan organisme fotosintetik terkecil di planet ini. Kelompok lainnya adalah Synechococcus, mikroba yang berkerabat dekat yang dapat ditemukan berlimpah di sistem laut dan air tawar. Kedua organisme mencari nafkah melalui fotosintesis.

Namun ternyata beberapa galur Prochlorococcus dapat mengadopsi gaya hidup alternatif, terutama di daerah dengan cahaya redup di mana fotosintesis sulit dipertahankan. Mikroba ini “heterotrofik”, menggunakan kombinasi strategi penangkapan karbon lainnya untuk tumbuh.

Para peneliti di laboratorium Chisholm sedang mencari tanda-tanda makanan campuran ketika mereka menemukan gen yang umum pada beberapa galur Prochlorococcus modern. Gen tersebut mengkodekan kemampuan untuk memecah kitin, zat kaya karbon yang berasal dari cangkang bersisik arthropoda, seperti serangga dan krustasea.

“Itu sangat aneh,” kata Capovila, yang memutuskan untuk menggali lebih dalam penemuannya saat dia bergabung dengan lab sebagai pascadoktoral.

Untuk studi baru, Capovilla menjalankan eksperimen untuk melihat apakah Prochlorococcus benar-benar dapat memecah kitin dengan cara yang menguntungkan. Pekerjaan sebelumnya di laboratorium menunjukkan bahwa gen pendegradasi kitin muncul pada strain Prochlorococcus yang hidup dalam kondisi kurang cahaya, dan di Synechococcus. Gen itu hilang di Prochlorococcus, yang mendiami lebih banyak daerah yang diterangi matahari.

Di lab, Capovilla memasukkan partikel kitin ke dalam sampel dari strain cahaya rendah dan cahaya tinggi. Ditemukan bahwa mikroba dengan gen tersebut dapat mendegradasi kitin, dan dari mereka, hanya Prochlorococcus yang beradaptasi dengan cahaya rendah yang tampaknya mendapat manfaat dari kerusakan ini, karena tampaknya juga tumbuh lebih cepat sebagai hasilnya. Mikroba juga dapat menempel pada serpihan kitin—temuan yang sangat menarik bagi Brackmann, yang mempelajari evolusi proses metabolisme dan cara mereka membentuk lingkungan Bumi.

“Orang-orang selalu bertanya kepada saya: Bagaimana mikroba ini menjajah lautan awal?” Dia berkata. “Dan saat Geo melakukan eksperimen ini, ada momen ‘aha’ ini.”

Mungkinkah gen ini ada, Brackmann bertanya-tanya, pada nenek moyang Prochlorococcus, dengan cara yang memungkinkan mikroba pesisir menempel dan memakan kitin, menaiki serpihan di laut?

Semuanya ada dalam waktu

Untuk menguji hipotesis “kluster kitin” baru, tim melihat ke Fournier, yang berspesialisasi dalam melacak gen lintas spesies mikroba sepanjang sejarah. Pada 2019, Lab Fournier Buat pohon evolusi Untuk mikroba yang menampilkan gen pendegradasi kitin. Dari pohon ini, mereka mencatat sebuah tren: Mikroba mulai menggunakan kitin hanya setelah arthropoda melimpah di ekosistem tertentu.

Untuk membuktikan hipotesis rakit kitin, gen tersebut pasti sudah ada pada nenek moyang Prochlorococcus tak lama setelah arthropoda mulai menjajah lingkungan laut.

Tim melihat catatan fosil dan menemukan bahwa spesies air arthropoda menjadi berlimpah di awal Paleozoikum, sekitar setengah miliar tahun yang lalu. Menurut pohon evolusi Fournier, ini juga terjadi pada saat gen pendegradasi kitin muncul pada leluhur bersama Prochlorococcus dan Synechococcus.

“Waktunya benar-benar konsisten,” kata Fournier. “Sistem kelautan dibanjiri dengan karbon organik jenis baru ini dalam bentuk kitin, sama seperti gen yang menggunakan karbon ini tersebar di semua jenis mikroba yang berbeda. Dan pergerakan molekul kitin ini tiba-tiba memberikan kesempatan kepada mikroba untuk menabrak lautan terbuka.

Penampilan kitin mungkin sangat bermanfaat bagi mikroba yang hidup dalam kondisi kurang cahaya, seperti di sepanjang dasar laut pesisir, tempat diperkirakan picocyano kuno pernah hidup. Untuk mikroba ini, kitin akan menjadi sumber energi yang sangat dibutuhkan, serta jalan keluar dari ceruk pesisir bersama mereka.

Begitu berada di laut, kata Brackmann, mikroba pengumpul rakit cukup kuat untuk mengembangkan adaptasi penghuni laut lainnya. Setelah jutaan tahun, organisme siap untuk “memimpin” dan berevolusi menjadi Prochlorococcus fotosintesis mengambang yang ada saat ini.

“Pada akhirnya, ini tentang ekosistem yang berkembang bersama,” kata Brackman. “Dengan kitin rakit ini, baik arthropoda maupun cyanobacteria mampu berkembang ke lautan terbuka. Pada akhirnya, ini membantu memunculkan ekosistem laut modern.”

Penelitian ini didukung oleh Simons Foundation, EMBO Long-Term Fellowship, dan Human Frontier Science Program. Makalah ini merupakan kontribusi dari Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE).

###