Biosinteza beljakovin in nukleinska kislina zahteva dušik vendar atmosferski dušik ni na voljo evkarioti za organsko sintezo. Le nekaj prokariotov (kot npr cianobakterije, klostridije, arhee itd) imajo sposobnost fiksiranja molekularnega dušika, ki je v izobilju na voljo Vzdušje. Nekaj fiksiranja dušika bakterije živijo znotraj evkariontskih celic v simbiotskem odnosu kot endosimbionti. Na primer cianobakterije Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) je endosimbiont enoceličnih mikroalg Braarudosphaera bigelowii v morskih sistemih. Takšen naravni pojav naj bi imel ključno vlogo pri evoluciji evkariontov. celica organele mitohondrije in kloroplaste z integracijo endosimbiotskih bakterij v evkariontsko celico. V nedavno objavljeni študiji so raziskovalci ugotovili, da cianobakterije "UCYN-A” se je tesno povezal z evkariontskimi mikroalgami Braarudosphaera bigelowii in se je razvil iz endosimbionta v organel evkariontske celice, ki veže dušik, imenovan nitroplast. Tako so nastale mikroalge Braarudosphaera bigelowii prvi znani evkariont, ki veže dušik. To odkritje je razširilo funkcijo fiksacije atmosferskega dušika s prokariontov na evkarionte.
Simbioza, tj. organizmi različnih vrst, ki si delijo življenjski prostor in živijo skupaj, je pogost naravni pojav. Partnerja v simbiotskem razmerju imata lahko koristi drug od drugega (mutualizem) ali ima lahko eden koristi, medtem ko drugi ostane nespremenjen (komenzalizem) ali ima eden koristi, medtem ko je drugemu škoda (parazitizem). Simbiotski odnos se imenuje endosimbioza, ko en organizem živi znotraj drugega, na primer prokariontska celica, ki živi znotraj evkariontske celice. Prokariontsko celico v takšni situaciji imenujemo endosimbiont.
Endosimbioza (tj. ponotranjenje prokariontov s predniško evkariontsko celico) je igrala ključno vlogo pri evoluciji mitohondrijev in kloroplastov, celičnih organelov, značilnih za kompleksnejše evkariontske celice, ki so prispevale k širjenju evkariontskih življenjskih oblik. Aerobna proteobakterija naj bi vstopila v evkariontsko celico prednikov in postala endosimbiont v času, ko je bilo okolje vse bolj bogato s kisikom. Sposobnost endosimbiontske proteobakterije, da uporablja kisik za proizvodnjo energije, je gostiteljskemu evkariontu omogočila uspevanje v novem okolju, medtem ko so drugi evkarionti izumrli zaradi negativnega selekcijskega pritiska, ki ga je povzročilo novo, s kisikom bogato okolje. Sčasoma se je proteobakterija integrirala z gostiteljskim sistemom in postala mitohondrij. Podobno je nekaj fotosintetizirajočih cianobakterij vstopilo v prednike evkariontov in postalo endosimbiont. Sčasoma so se asimilirali z evkariontskim gostiteljskim sistemom in postali kloroplasti. Evkarionti s kloroplasti so pridobili sposobnost vezave atmosferskega ogljika in postali avtotrofi. Evolucija evkariontov, ki vežejo ogljik, iz prednikov evkariontov je bila prelomnica v zgodovini življenja na zemlji.
Dušik je potreben za organsko sintezo beljakovin in nukleinskih kislin, vendar je sposobnost fiksiranja atmosferskega dušika omejena le na nekaj prokariontov (kot so nekatere cianobakterije, klostridije, arheje itd.). Noben znani evkariont ne more samostojno vezati atmosferskega dušika. V naravi so vidna vzajemna endosimbiotska razmerja med prokarionti, ki vežejo dušik, in evkarionti, ki vežejo ogljik, ki za rast potrebujejo dušik. En tak primer je partnerstvo med cianobakterijo Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) in enocelično mikroalgo Braarudosphaera bigelowii v morskih sistemih.
V nedavni študiji so endosimbiotično razmerje med cianobakterijo Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) in enocelično mikroalgo Braarudosphaera bigelowii raziskovali z mehko rentgensko tomografijo. Vizualizacija celične morfologije in delitve alge je razkrila usklajen celični cikel, v katerem so se endosimbiontne cianobakterije enakomerno delile tako, kot se kloroplasti in mitohondriji v evkariontu delijo med celično delitvijo. Študija proteinov, ki sodelujejo pri celičnih aktivnostih, je pokazala, da je precejšen del njih kodiran v genomu alg. To je vključevalo beljakovine, ki so bistvene za biosintezo, celično rast in delitev. Te ugotovitve kažejo, da so se endosimbiontne cianobakterije tesno integrirale v gostiteljski celični sistem in prešle iz endosimbionta v polnopravni organel gostiteljske celice. Posledično je celica gostiteljske alge pridobila sposobnost fiksiranja atmosferskega dušika za sintezo beljakovin in nukleinskih kislin, potrebnih za rast. Nova organela je imenovana nitroplast zaradi svoje sposobnosti vezave dušika.
Tako nastanejo enocelične mikroalge Braarudosphaera bigelowii prvi evkariont, ki veže dušik. Ta razvoj lahko vpliva na Kmetijstvo in industrijo kemičnih gnojil na dolgi rok.
***
Reference:
- Coale, TH et al. 2024. Organele, ki vežejo dušik v morski algi. Znanost. 11. april 2024. Letnik 384, številka 6692, str. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplast: organel, ki veže dušik. ZNANOST. 11. april 2024. Zvezek 384, številka 6692. Str. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
