Odkrycie nitroplastu organelli komórkowych wiążących azot w algach eukariotycznych   

Biosynteza Białka oraz Kwas nukleinowy wymagać azot jednak azot atmosferyczny nie jest dostępny eukarionty do syntezy organicznej. Tylko nieliczne prokarioty (np cyjanobakteria, Clostridia, archaea itp.) mają zdolność wiązania azotu cząsteczkowego obficie dostępnego w atmosfera. Niektóre wiążące azot bakteria żyją wewnątrz komórek eukariotycznych w symbiozie jako endosymbionty. Na przykład sinice Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) jest endosymbiontem jednokomórkowych mikroalg Braarudosphaera bigelowii w systemach morskich. Uważa się, że takie naturalne zjawisko odegrało kluczową rolę w ewolucji eukariotów komórka organelle, mitochondria i chloroplasty poprzez integrację bakterii endosymbiotycznych z komórką eukariotyczną. W niedawno opublikowanym badaniu naukowcy odkryli, że sinice „UCYN-A” ściśle zintegrował się z mikroalgami eukariotycznymi Braarudosphaera bigelowii i ewoluował od endosymbiontu do organelli komórek eukariotycznych wiążących azot, zwanych nitroplastami. W ten sposób powstały mikroalgi Braarudosphaera bigelowii pierwszy znany eukariont wiążący azot. Odkrycie to rozszerzyło funkcję wiązania azotu atmosferycznego z prokariotów na eukarionty.  

Symbioza, czyli organizmy różnych gatunków dzielące siedliska i żyjące razem, jest powszechnym zjawiskiem naturalnym. Partnerzy w związku symbiotycznym mogą czerpać wzajemne korzyści (mutualizm) lub jeden może odnosić korzyści, podczas gdy drugi pozostaje nienaruszony (komensalizm) lub jeden może odnosić korzyści, podczas gdy drugi jest krzywdzony (pasożytnictwo). Związek symbiotyczny nazywa się endosymbiozą, gdy jeden organizm żyje wewnątrz drugiego, na przykład komórka prokariotyczna żyjąca wewnątrz komórki eukariotycznej. W takiej sytuacji komórka prokariotyczna nazywana jest endosymbiontem.  

Endosymbioza (tzn. internalizacja prokariotów przez przodkową komórkę eukariotyczną) odegrała kluczową rolę w ewolucji mitochondriów i chloroplastów, organelli komórkowych charakterystycznych dla bardziej złożonych komórek eukariotycznych, co przyczyniło się do proliferacji eukariotycznych form życia. Uważa się, że tlenowe proteobakterie przedostały się do przodków komórek eukariotycznych i stały się endosymbiontem w czasie, gdy środowisko stawało się coraz bardziej bogate w tlen. Zdolność endosymbiontu proteobakterii do wykorzystywania tlenu do wytwarzania energii umożliwiła eukariontowi żywicielowi rozwój w nowym środowisku, podczas gdy inne eukarionty wyginęły z powodu negatywnej presji selekcyjnej narzuconej przez nowe środowisko bogate w tlen. Ostatecznie proteobakteria zintegrowała się z systemem gospodarza, stając się mitochondriem. Podobnie niektóre fotosyntetyzujące cyjanobakterie przedostały się do przodków eukariontów i stały się endosymbiontami. Z biegiem czasu zasymilowały się z eukariotycznym systemem żywicieli i stały się chloroplastami. Eukarionty z chloroplastami nabyły zdolność wiązania węgla atmosferycznego i stały się autotrofami. Ewolucja eukariontów wiążących węgiel z eukariontów przodków była punktem zwrotnym w historii życia na Ziemi. 

Azot jest niezbędny do organicznej syntezy białek i kwasów nukleinowych, jednak zdolność wiązania azotu atmosferycznego jest ograniczona tylko do kilku prokariotów (takich jak niektóre sinice, Clostridia, archeony itp.). Żadne znane eukarionty nie są w stanie samodzielnie wiązać azotu atmosferycznego. W przyrodzie obserwuje się wzajemne endosymbiotyczne relacje między prokariotami wiążącymi azot a eukariontami wiążącymi węgiel, które potrzebują azotu do wzrostu. Jednym z takich przykładów jest partnerstwo cyjanobakterii Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) i jednokomórkowych mikroalg Braarudosphaera bigelowii w systemach morskich.  

W niedawnym badaniu zbadano endosymbiotyczny związek między cyjanobakteriami Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) a jednokomórkowymi mikroalgami Braarudosphaera bigelowii za pomocą miękkiej tomografii rentgenowskiej. Wizualizacja morfologii komórek i podziału glonów ujawniła skoordynowany cykl komórkowy, w którym cyjanobakterie endosymbiontowe dzielą się równomiernie, tak jak chloroplasty i mitochondria u eukariontów dzielą się podczas podziału komórki. Badanie białek biorących udział w czynnościach komórkowych ujawniło, że znaczna ich część była kodowana przez genom glonów. Obejmowały one białka niezbędne do biosyntezy, wzrostu i podziału komórek. Odkrycia te sugerują, że cyjanobakterie endosymbiontowe ściśle zintegrowały się z systemem komórkowym gospodarza i przekształciły się z endosymbiontu w pełnoprawną organellę komórki gospodarza. W rezultacie komórka glonu gospodarza nabyła zdolność wiązania azotu atmosferycznego w celu syntezy białek i kwasów nukleinowych niezbędnych do wzrostu. Nowa organella zostaje nazwana nitroplast ze względu na zdolność wiązania azotu.  

W ten sposób powstają jednokomórkowe mikroalgi Braarudosphaera bigelowii pierwszy eukariont wiążący azot. Rozwój ten może mieć konsekwencje dla rolnictwo i nawozów chemicznych w dłuższej perspektywie.

*** 

Referencje:  

1. Coale, TH i in. 2024. Organelle wiążące azot w algach morskich. Nauka. 11 kwietnia 2024 r. tom 384, wydanie 6692 s. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Massana R., 2024. Nitroplast: organella wiążąca azot. NAUKA. 11 kwietnia 2024 r. tom 384, wydanie 6692. s. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***