Naukowcy odkryli pierwszą organellę wiążącą azot

Współczesne podręczniki biologii twierdzą, że tylko bakterie są w stanie pobierać azot z atmosfery i przekształcać go w formę nadającą się do zamieszkania. Rośliny wiążące azot, takie jak rośliny strączkowe, robią to poprzez hodowlę symbiotycznych bakterii w brodawkach korzeniowych. Jednak najnowsze odkrycie wywraca tę zasadę do góry nogami.

W dwóch niedawno opublikowanych artykułach międzynarodowy zespół naukowców opisuje pierwszą znaną organellę wiążącą azot wewnątrz komórki eukariotycznej. Organelle to czwarty przykład w historii pierwotnej endosymbiozy – procesu, w wyniku którego komórka prokariotyczna zostaje pochłonięta przez komórkę eukariotyczną i poza symbiozą ewoluuje w organellę.

„Bardzo rzadko zdarza się, że organelle powstają w wyniku czegoś takiego” – powiedział Tyler Cole, badacz ze stopniem doktora na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz i pierwszy autor jednego z dwóch niedawno opublikowanych artykułów. „Kiedy pomyśleliśmy, że coś takiego miało miejsce po raz pierwszy, dało to początek wszystkim złożonym formom życia. Wszystko bardziej złożone niż komórka bakteryjna zawdzięcza swoje istnienie temu wydarzeniu” – powiedział, odnosząc się do początków mitochondriów. „Mniej więcej miliard lat temu sytuacja powtórzyła się z chloroplastami i w ten sposób powstały rośliny” – powiedział Cole.

Trzeci dobrze znany przykład dotyczy drobnoustroju podobnego do chloroplastu. Najnowsze odkrycie to pierwszy przykład organelli wiążącej azot, którą badacze nazywają nitroplastem.

Tajemnica sprzed kilkudziesięciu lat

Odkrycie organelli wymagało odrobiny szczęścia i dziesięcioleci pracy. W 1998 roku Jonathan Zehr, wybitny profesor nauk o morzu na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, znalazł krótką sekwencję DNA pochodzącą najprawdopodobniej z nieznanej sinicy wiążącej azot w wodzie morskiej Pacyfiku. Zahr i jego współpracownicy spędzili lata na badaniu tajemniczego obiektu, który nazwali UCYN-A.

W międzyczasie Kyoko Hagino, paleontolog z Uniwersytetu Kochi w Japonii, aktywnie próbowała hodować wodorosty. Okazało się, że był to organizm żywicielski UCYN-A. Zajęło to ponad 300 wypraw i ponad dekadę, ale Hagino w końcu udało się wyhodować glony w kulturze, co umożliwiło innym badaczom wspólne badanie w laboratorium UCYN-A i jego żywicieli – alg morskich.

Przez wiele lat naukowcy uważali UCYN-A za endosymbiont blisko spokrewniony z glonami. Jednak dwie ostatnie prace sugerują, że UCYN-A ewoluował wspólnie ze swoim dawnym symbiotycznym żywicielem i obecnie spełnia kryteria organelli.

Pochodzenie organiczne

W artykule opublikowanym w komórka W marcu 2024 roku Zahr i współpracownicy z MIT, Instituto de Ciencia Barcelona i University of Rhode Island wykazali, że stosunek objętości między UCYN-A a ich żywicielami algami jest podobny w przypadku różnych gatunków morskich alg eufitowych. Prarodosphaera bigeloi.

Naukowcy wykorzystują model, aby wykazać, że wzrost komórek gospodarza i UCYN-A są kontrolowane przez wymianę składników odżywczych. Ich procesy metaboliczne są ze sobą powiązane. Ta synchronizacja tempa wzrostu skłoniła badaczy do nazwania UCYN-A „podobnym do organelli”.

„Dokładnie to samo dzieje się z organellami” – powiedział Zahr. „Jeśli spojrzysz na mitochondria i chloroplasty, to jest to samo: rozszerzają się wraz z komórką”.

Jednak naukowcy nie nazwali UCYN-A organellą, dopóki nie potwierdzili innych dowodów. w Artykuł z okładki Z magazynu Nauki, opublikowany dzisiaj, przedstawia Zahra, Qualleya, Kendrę Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz oraz współpracowników z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Taiwan Ocean University i Kochi Uniwersytet w Japonii. UCYN-A importuje białka z komórek gospodarza.

„To jedna z cech charakterystycznych przejścia od endosymbiontu do organelli” – powiedział Zahr. „Zaczynają pozbywać się fragmentów DNA, ich genom staje się coraz mniejszy i zaczynają polegać na komórce macierzystej, która przenosi produkty genów – lub samo białko – do komórki”.

Cole pracował nad białkami do badań. Porównał białka znajdujące się w wyizolowanym UCYN-A z białkami występującymi w całej komórce gospodarza glonu. Odkrył, że komórka gospodarza wytwarza białka i znakuje je specyficzną sekwencją aminokwasów, która mówi komórce, aby wysłała je do nitroplastu. Następnie nitroblast importuje i wykorzystuje białka. Cole zidentyfikował funkcję niektórych białek, które wypełniają luki w określonych szlakach w obrębie UCYN-A.

„To trochę jak magiczna układanka, która pasuje do siebie i działa razem” – powiedział Zahr.

W tym samym artykule naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco wykazali, że UCYN-A replikuje się w połączeniu z komórką glonów i jest dziedziczony jak inne organelle.

Zmień perspektywy

Te niezależne dowody nie pozostawiają wątpliwości, że UCYN-A przekroczył rolę symbiontu. Podczas gdy mitochondria i chloroplasty ewoluowały miliardy lat temu, wydaje się, że azotoplasty wyewoluowały około 100 milionów lat temu, zapewniając naukowcom nowe, bardziej nowoczesne spojrzenie na tworzenie organelli.

Organelle zapewniają również wgląd w ekosystemy oceaniczne. Wszystkie żywe organizmy potrzebują azotu w formie biologicznie użytecznej, a UCYN-A ma globalne znaczenie ze względu na swoją zdolność wiązania azotu z atmosfery. Naukowcy odkryli go wszędzie, od tropików po Ocean Arktyczny, i wiąże duże ilości azotu.

„To nie jest tylko kolejny gracz” – powiedział Zehr.

To odkrycie może również zmienić rolnictwo. Możliwość wytwarzania nawozów amoniakalnych z azotu atmosferycznego umożliwiła rozwój rolnictwa – i światowej populacji – na początku XX wieku. Proces ten, zwany procesem Habera-Boscha, umożliwia produkcję około 50% światowej żywności. Wytwarzają także ogromne ilości dwutlenku węgla: około 1,4% światowych emisji pochodzi z tego procesu. Przez dziesięciolecia badacze próbowali znaleźć sposób na wykorzystanie naturalnego wiązania azotu w rolnictwie.

„Ten system zapewnia nowe spojrzenie na wiązanie azotu i może dostarczyć wskazówek, jak zaprojektować takie organelle w rośliny uprawne” – powiedział Cole.

Jednak wiele pytań dotyczących UCYN-A i jego żywicieli pozostaje bez odpowiedzi. Naukowcy planują głębiej poznać działanie UCYN-A i glonów oraz zbadać różne szczepy.

Kendra Turk-Cobo, adiunkt na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz, będzie kontynuować badania w swoim nowym laboratorium. Zahr spodziewa się, że naukowcy znajdą inne organizmy o historii ewolucyjnej podobnej do UCYN-A, ale to odkrycie jest pierwszym tego rodzaju i trafia do podręczników.