תוֹכֶן
לפני קרוב לארבעה מיליארד שנה, צורות החיים הראשונות הופיעו על פני כדור הארץ, ואלה היו החיידקים המוקדמים ביותר. חיידקים אלה התפתחו עם הזמן ובסופו של דבר הסתעפו לצורות החיים הרבות הנראות כיום. חיידקים שייכים לקבוצת האורגניזמים הנקראים פרוקריוטים, ישויות חד תאיות שאינן מכילות מבנים פנימיים הקשורים בממברנות. המעמד האחר של האורגניזמים הוא האוקריוטים שיש להם גרעינים קשורים לקרום ומבנים אחרים. מיטוכונדריה, המספקות אנרגיה לתא, הם אחד מהמבנים הקשורים לקרום הנקראים אורגנלים. כלורופלסטים הם אברונים בתאי צמח שיכולים להכין מזון. לשני האברונים הללו יש הרבה מהמשותף לחיידקים וייתכן שהם התפתחו ישירות מהם.
גנים נפרדים
חיידקים נושאים את ה- DNA שלהם, המולקולה המכילה גנים, ברכיבים מעגליים הנקראים פלסמידים. למיטוכונדריה וכלורופלסטים DNA משלהם שנשאו 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 חלבונים משלהם ללא תלות בשאר התא.
סינתזת חלבון
חיידקים מייצרים חלבונים במבנים הנקראים ריבוזומים. תהליך ייצור החלבון מתחיל באותה חומצת אמינו, אחת מתוך 20 יחידות משנה המרכיבות חלבונים. חומצה אמינית מתחילה זו היא N-formylmethionine בחיידקים כמו גם במיטוכונדריה וכלורופלסטים. N-formylmethionine היא צורה שונה של חומצת האמינו מתיונין; לחלבונים המיוצרים בשאר התאים ריבוזומים יש אות התחלה שונה - מתיונין רגיל. בנוסף, ריבוזומי כלורופלסט דומים מאוד לריבוזומים חיידקיים ונבדלים מהריבוזומים בתאים.
שכפול
מיטוכונדריה וכלורופלסטים יוצרים את עצמם יותר באותו אופן בו מתרבים החיידקים. אם מוסרים מיטוכונדריה וכלורופלסטים מתא, התא אינו יכול להכין יותר מאברונים אלה כדי להחליף את אלו שהוסרו. הדרך היחידה שניתן לשכפל אברונים אלה היא באמצעות אותה שיטה בה משתמשים חיידקים: ביקוע בינארי. כמו חיידקים, המיטוכונדריה והכלורופלסטים גדלים בגודלם, משכפלים את ה- DNA שלהם ואת המבנים האחרים ואז מתחלקים לשני אברונים זהים.
רגישות לאנטיביוטיקה
נראה כי תפקוד המיטוכונדריאלי והכלורופלסטי נפגע כתוצאה מפעולה של אותם אנטיביוטיקה הגורמים לבעיות לחיידקים. אנטיביוטיקה כמו סטרפטומיצין, כלורמפניקול ונאומיצין הורגים חיידקים, אך הם גם גורמים נזק למיטוכונדריה וכלורופלסטים. לדוגמה, כלורמפניקול פועל על ריבוזומים, 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 א. ברנהיל ועמיתיו במכללה לרפואה וטרינרית באוניברסיטת איווה, ופורסם בכתב העת "סוכנים אנטי מיקרוביאלים וכימותרפיה."
התיאוריה האנדוסימביוטית
בגלל קווי דמיון בולטים בין כלורופלסטים, מיטוכונדריה וחיידקים, מדענים החלו לבדוק את הקשר ביניהם. הביולוגית לין מרגוליס פיתחה את התיאוריה האנדוסימביוטית בשנת 1967, והסבירה את מקור המיטוכונדריה והכלורופלסטים בתאים אוקריוטיים. ד"ר מרגוליס תיאר כי גם המיטוכונדריה וגם הכלורופלסטים מקורם בעולם הפרוקריוטי. מיטוכונדריה וכלורופלסטים היו למעשה פרוקריוטים עצמם, חיידקים פשוטים שיצרו קשר עם תאים מארחים. תאים מארחים אלה היו פרוקריוטים שלא הצליחו לחיות בסביבות עשירות חמצן ובלטו את מבשריהם המיטוכונדריים. אורגניזמים מארחים אלה סיפקו מזון לתושביהם בתמורה לכך שהם היו מסוגלים לשרוד בסביבה המכילה חמצן רעיל. יתכן כי כלורופלסטים מתאי צמח הגיעו מאורגניזמים הדומים לציאנובקטריה. מבשר הכלורופלסט הגיע לחיות בסימביוטיות עם תאי צמחים מכיוון שחיידקים אלו יספקו למארחיהם מזון בצורה של גלוקוזה בעוד התאים המארחים יציעו מקום בטוח לחיות בו.