Naukowcy odkryli gatunek glonów morskich, który zawiera organellum zdolne do pobierania azotu z atmosfery. Dotychczas uważano, że zdolność taką posiadają jedynie niektóre bakterie symbiotyczne.
Azot jest składnikiem odżywczym niezbędnym dla całego życia na Ziemi. Pomimo jego obecności w atmosferze, pozostaje on w dużej mierze niedostępny dla wielu form życia, dopóki nie zostanie przekształcony w bardziej przystępną formę. Istnieją bakterie, które są w stanie tego dokonać. Są też rośliny wiążące azot, jak chociażby rośliny strączkowe, które uzyskały tę zdolność poprzez związek symbiotyczny z bakteriami żyjącymi w ich korzeniach. Ale w niedawnej publikacji naukowcy z Uniwersytetu Rhode Island, Institut de Ciències del Mar w Barcelonie, Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz i Massachusetts Institute of Technology odkryli organizmy symbiotyczne wiążące azot, wykazujące zachowania podobne do organelli.
Opis oraz wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Cell” (DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016) oraz „Science” (DOI: 10.1126/science.adk1075).
Nitroplast
Naukowcy uważają, że zdolność glonów z gatunku Braarudosphaera bigelowii do wiązania azotu wywodzi się ze związku endosymbiotycznego, w którym cyjanobakteria wiążąca azot została wchłonięta przez komórkę przodków morskich glonów. Endosymbioza to taki rodzaj symbiozy, w którym komórki jednego organizmu żyją i doskonale sobie radzą w komórkach lub tkankach innego organizmu. Badacze uważają, że w omawianym przypadku wchłonięta bakteria całkowicie zrezygnowała z samodzielnego życia, odrzucając wiele swoich genów i uzależniając się od jednokomórkowych glonów.
W wyniku tego procesu komórka prokariotyczna została pochłonięta przez komórkę eukariotyczną i ewoluowała w organellę. Badacze sądzą, że w całej historii życia na Ziemi podobny proces wydarzył się tylko kilka razy. – Bardzo rzadko zdarza się, że organelle powstają z tego typu rzeczy. Za pierwszym razem, gdy sądzimy, że tak się stało, dało to początek całemu złożonemu życiu. Wszystko bardziej skomplikowane niż komórka bakteryjna zawdzięcza swoje istnienie temu wydarzeniu – powiedział Tyler Coale z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz wskazując, że odnosi się do powstania mitochondriów. – Mniej więcej miliard lat temu sytuacja powtórzyła się z chloroplastem i dzięki temu otrzymaliśmy rośliny – dodał Coale.
Najnowszym tego typu odkryciem jest pierwszy przykład organellum wiążącego azot, którą naukowcy nazwali nitroplastem.
Odkrycie
Na trop nieznanego organellum natknął się jeszcze w 1998 roku Jonathan Zehr z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Znalazł on w wodzie morskiej w Pacyfiku krótką sekwencję DNA prawdopodobnie pochodzącą od nieznanej cyjanobakterii wiążącej azot. Zehr i współpracownicy spędzili lata na szukaniu tajemniczego organizmu, który nazwali UCYN-A.
W tym samym czasie Kyoko Hagino z Uniwersytetu Kochi w Japonii próbowała wyhodować morskie glony w laboratorium. Nie szło jej to najlepiej i zanim się udało, minęła blisko dekada. Okazało się, że glony będące przedmiotem zainteresowania Hagino, są żywicielem UCYN-A. Dzięki pracom Hagino naukowcy dostali hodowlę glonów, którą można było dokładnie zbadać.
Przez lata naukowcy uważali UCYN-A za endosymbiont blisko powiązany z glonami. Jednak ostatnie prace sugerują, że UCYN-A ewoluował wspólnie ze swoim żywicielem i obecnie spełnia kryteria organellum.
Organellum wiążące azot
Naukowcy wykazali, że wzrost komórki gospodarza i UCYN-A jest kontrolowany przez wymianę składników odżywczych. Ich metabolizm jest ze sobą powiązany. Ta synchronizacja tempa wzrostu skłoniła badaczy do zastanowienia się. – Dokładnie to samo dzieje się z organellami. Jeśli spojrzysz na mitochondria i chloroplast, to jest to samo: skalują się wraz z komórką – powiedział Zehr.
Badania wykazały, że UCYN-A importuje białka z komórek gospodarza. – To jedna z cech charakterystycznych dla czegoś przechodzącego z endosymbiontu do organellum – powiedział Zehr. – Zaczynają wyrzucać fragmenty DNA, a ich genomy stają się coraz mniejsze i zaczynają zależeć od komórki macierzystej, jeśli chodzi o transport produktów genów lub samego białka do komórki – dodał.
Coale porównał białka występujące w izolowanym UCYN-A z białkami występującymi w całej komórce gospodarza. Odkrył, że komórka gospodarza wytwarza białka i znakuje je specyficzną sekwencją aminokwasów, która nakazuje wysłać je do nitroplastu. Następnie nitroplast importuje białka i wykorzystuje je. Co więcej, badacze wykazali również, że UCYN-A replikuje się synchronicznie z komórką glonów i jest dziedziczony jak inne organelle.
Wyniki analiz wskazują, że UCYN-A przekroczył rolę symbiontu. Mitochondria i chloroplasty ewoluowały miliardy lat temu, ale jeśli chodzi o nitroplast, to badacze mówią, że wyewoluował około 100 milionów lat temu.
Odkrycie może zmienić rolnictwo
Produkcja nawozów azotowych umożliwiła rozwój rolnictwa i znacznie poprawiła światową produkcję żywności. Ale wytwarzanie nawozów powoduje emisję ogromnych ilości dwutlenku węgla do atmosfery – około 1,4 proc. światowych emisji pochodzi z tego procesu.
– Ten system zapewnia nowe spojrzenie na wiązanie azotu i może dostarczyć wskazówek, w jaki sposób takie organellum mogłyby zostać wkomponowane w rośliny uprawne – powiedział Coale.
Jednak wiele pytań dotyczących UCYN-A i jego żywicieli pozostaje bez odpowiedzi. Naukowcy planują dalsze badania, by lepiej poznać sposób działania UCYN-A i glonów oraz zbadać różne ich szczepy.
Źródło: University of California – Santa Cruz, fot. Pexels/ CC0
