כיצד מיטוכונדריה וכלורופלסטים דומים לחיידקים?

לפני קרוב לארבעה מיליארד שנה הופיעו צורות החיים הראשונות על פני כדור הארץ ואלה היו החיידקים הקדומים ביותר. חיידקים אלה התפתחו עם הזמן ובסופו של דבר הסתעפו לצורות חיים רבות הנראות כיום. חיידקים שייכים לקבוצת האורגניזמים הנקראים פרוקריוטים, ישויות חד תאיות שאינן מכילות מבנים פנימיים הקשורים בקרומים. המעמד האחר של אורגניזמים הוא האוקריוטים שיש להם גרעינים הקשורים לקרום ומבנים אחרים. המיטוכונדריה, המספקים אנרגיה לתא, הם אחד המבנים הקשורים לקרום הקרוי אברונים. כלורופלסטים הם אברונים בתאי הצמח שיכולים להכין מזון. לשני אברונים אלה יש הרבה מן המשותף עם חיידקים וייתכן שהם התפתחו ישירות מהם.

חיידקים נושאים את ה- DNA שלהם, המולקולה המכילה גנים, ברכיבים מעגליים הנקראים פלסמידים. למיטוכונדריה ולכלורופלסטים DNA משלהם נישא במבנים דמויי פלסמיד. בנוסף, ה- DNA של המיטוכונדריה והכלורופלסטים, כמו זה של חיידקים, אינו מתחבר למבני מגן הנקראים היסטונים הקושרים את ה- DNA. אברונים אלה מייצרים DNA משלהם ומסנתזים את החלבונים שלהם ללא תלות בשאר התא.

חיידקים מייצרים חלבונים במבנים הנקראים ריבוזומים. תהליך ייצור החלבונים מתחיל באותה חומצת אמינו, אחת מתוך 20 יחידות משנה המרכיבות חלבונים. חומצת אמינו ראשונית זו היא N-formylmethionine בחיידקים וכן במיטוכונדריה ובכלורופלסטים. N-formylmethionine היא צורה שונה של חומצת האמינו מתיונין; לחלבונים המיוצרים בשאר הריבוזומים של התא יש אות התחלה שונה - מתיונין רגיל. בנוסף, הריבוזומים של כלורופלסט דומים מאוד לריבוזומים חיידקיים ונבדלים מהריבוזומים של התא.

מיטוכונדריה וכלורופלסטים עושים יותר את עצמם באותו אופן כמו חיידקים מתרבים. אם המיטוכונדריה והכלורופלסטים מוסרים מהתא, התא אינו יכול להכין יותר מהאברונים הללו כדי להחליף את אלה שהוסרו. הדרך היחידה בה ניתן לשכפל אברונים אלה היא באותה שיטה בה משתמשים חיידקים: ביקוע בינארי. בדומה לחיידקים, גם המיטוכונדריה והכלורופלסטים גדלים, משכפלים את ה- DNA שלהם ואת המבנים האחרים ואז מתחלקים לשני אברונים זהים.

נראה כי תפקוד מיטוכונדריאלי וכלורופלסט נפגע מהפעולה של אותן אנטיביוטיקה הגורמות לבעיות בחיידקים. אנטיביוטיקה כמו סטרפטומיצין, כלורמפניקול ונוימיצין הורגים חיידקים, אך הם גם גורמים נזק למיטוכונדריה ולכלורופלסטים. לדוגמא, כלורמפניקול פועל על הריבוזומים, המבנים בתאים שהם אתרי ייצור החלבון. האנטיביוטיקה פועלת באופן ספציפי על ריבוזומים חיידקיים; למרבה הצער, זה משפיע גם על הריבוזומים במיטוכונדריה, מסכם מחקר שנערך בשנת 2012 על ידי ד"ר אליסון ע. בארנהיל ועמיתיו במכללה לרפואה וטרינרית של אוניברסיטת איווה ומפורסמים בכתב העת "חומרים אנטי מיקרוביאליים וכימותרפיה".

בגלל הדמיון המדהים בין כלורופלסטים, מיטוכונדריה וחיידקים, מדענים החלו לבדוק את יחסיהם זה עם זה. הביולוגית לין מרגוליס פיתחה את התיאוריה האנדוזימביוטית בשנת 1967, והסבירה על מקור המיטוכונדריה והכלורופלסטים בתאים אוקריוטיים. ד"ר מרגוליס תיאר כי המיטוכונדריה והכלורופלסטים מקורם בעולם הפרוקריוטי. מיטוכונדריה וכלורופלסטים היו למעשה פרוקריוטים עצמם, חיידקים פשוטים שיצרו קשר עם תאי המארח. תאי מארח אלה היו פרוקריוטים שלא הצליחו לחיות בסביבות עשירות בחמצן ובלעו מבשרי המיטוכונדריה הללו. אורגניזמים מארחים אלה סיפקו אוכל לתושביהם בתמורה ליכולת לשרוד בסביבה המכילה חמצן רעיל. כלורופלסטים מתאי צמח עשויים להגיע מאורגניזמים דומים לציאנובקטריה. מבשר הכלורופלסט התחיל לחיות באופן סימביוטי עם תאי הצמח מכיוון שחיידקים אלה היו מתרחשים לספק למארחיהם אוכל בצורת גלוקוז ואילו התאים המארחים יציעו מקום בטוח לחיות.