_ Oamenii de știință descoperă prima fixare a azotului organele

Manualele moderne de biologie afirmă că numai bacteriile pot prelua azotul din atmosferă și îl pot transforma într-o formă care poate fi utilizată pentru viață. Plantele care fixează azotul, cum ar fi leguminoasele, fac acest lucru găzduind bacterii simbiotice în nodulii rădăcinilor. Dar o descoperire recentă schimbă această regulă.

În două lucrări recente, o echipă internațională de oameni de știință descrie primul organel de fixare a azotului cunoscut dintr-o celulă eucariotă. Organela este al patrulea exemplu din istoria endosimbiozei primare — procesul prin care o celulă procariotă este înghițită de o celulă eucariotă și evoluează dincolo de simbioză într-un organel.

„Este foarte rar ca organele să apară din aceste tipuri. de lucruri”, a spus Tyler Coale, un savant postdoctoral la UC Santa Cruz și primul autor al uneia dintre cele două lucrări recente. "Prima dată când credem că s-a întâmplat, a dat naștere la toată viața complexă. Tot ceea ce este mai complicat decât o celulă bacteriană își datorează existența acestui eveniment", a spus el, referindu-se la originile mitocondriilor. „În urmă cu un miliard de ani sau cam asa ceva, sa întâmplat din nou cu cloroplastul și asta ne-a dat plante”, a spus Coale.

Al treilea caz cunoscut implică un microb similar cu un cloroplast. Cea mai nouă descoperire este primul exemplu de organel care fixează azotul, pe care cercetătorii îl numesc nitroplast.

Descoperirea organelului a implicat puțin noroc și zeci de ani de muncă. În 1998, Jonathan Zehr, un distins profesor de științe marine la UC Santa Cruz, a găsit o scurtă secvență de ADN a ceea ce părea a fi dintr-o cianobacterie necunoscută care fixează azot în apa de mare a Oceanului Pacific. Zehr și colegii au petrecut ani de zile studiind organismul misterios, pe care l-au numit UCYN-A.

În același timp, Kyoko Hagino, un paleontolog la Universitatea Kochi din Japonia, încerca cu sârguință să cultive o algă marine. S-a dovedit a fi organismul gazdă pentru UCYN-A. I-au luat peste 300 de expediții de prelevare de probe și mai mult de un deceniu, dar Hagino a crescut în cele din urmă cu succes alga în cultură, permițând altor cercetători să înceapă să studieze UCYN-A și gazda sa de alge marine împreună în laborator.

Pentru ani, oamenii de știință au considerat UCYN-A un endosimbiont care a fost strâns asociat cu o algă. Dar cele două lucrări recente sugerează că UCYN-A a co-evoluat cu simbioza anterioară a gazdei sale și acum se potrivește criteriilor pentru un organel.

Într-o lucrare publicată în Cell în martie 2024, Zehr și colegii din Massachusetts Institutul de Tehnologie, Institut de Ciències del Mar din Barcelona și Universitatea din Rhode Island arată că raportul de dimensiune dintre UCYN-A și gazdele lor de alge este similar la diferite specii de alge haptofite marine Braarudosphaera bigelowii.

Cercetătorii folosesc un model pentru a demonstra că creșterea celulei gazdă și a UCYN-A sunt controlate de schimbul de nutrienți. Metabolismul lor este legat. Această sincronizare a ratelor de creștere i-a determinat pe cercetători să numească UCYN-A „asemănător cu organele”.

„Așa se întâmplă exact cu organele”, a spus Zehr. „Dacă te uiți la mitocondrii și la cloroplast, este același lucru: ele se scalează cu celula.”

Dar oamenii de știință nu au numit cu încredere UCYN-A un organel până nu au confirmat alte linii de dovezi. În articolul de copertă al revistei Science, publicat astăzi, Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo și Wing Kwan Esther Mak de la UC Santa Cruz și colaboratori de la Universitatea din California, San Francisco, Laboratorul Național Lawrence Berkeley, Oceanul Național Taiwan Universitatea și Universitatea Kochi din Japonia arată că UCYN-A importă proteine ​​din celulele gazdă.

„Acesta este unul dintre semnele distinctive ale ceva ce trece de la un endosimbiont la un organel”, a spus Zehr. „Încep să arunce bucăți de ADN, iar genomul lor devine din ce în ce mai mic și încep să depind de celula mamă pentru ca acele produse genetice – sau proteina în sine – să fie transportate în celulă.”

Coale a lucrat la proteomica pentru studiu. El a comparat proteinele găsite în UCYN-A izolat cu cele găsite în întreaga celulă gazdă algelor. El a descoperit că celula gazdă produce proteine ​​și le etichetează cu o secvență specifică de aminoacizi, care îi spune celulei să le trimită la nitroplast. Nitroplastul importă apoi proteinele și le folosește. Coale a identificat funcția unora dintre proteine ​​și ele umple golurile în anumite căi din cadrul UCYN-A.

„Este un fel ca acest puzzle magic care se potrivește și funcționează”, a spus Zehr.

În aceeași lucrare, cercetătorii de la UCSF arată că UCYN-A se reproduce în sincronie cu celula de algă și este moștenit ca și alte organite.

Aceste dovezi independente lasă puține îndoieli că UCYN -A a depășit rolul unui simbiont. Și, în timp ce mitocondriile și cloroplastele au evoluat cu miliarde de ani în urmă, nitroplastul pare să fi evoluat cu aproximativ 100 de milioane de ani în urmă, oferind oamenilor de știință o perspectivă nouă, mai recentă asupra organilogenezei.

Organela oferă, de asemenea, o perspectivă asupra ecosistemelor oceanice. . Toate organismele au nevoie de azot într-o formă utilizabilă biologic, iar UCYN-A este important la nivel global pentru capacitatea sa de a fixa azotul din atmosferă. Cercetătorii l-au găsit peste tot, de la tropice până la Oceanul Arctic și fixează o cantitate semnificativă de azot.

„Nu este doar un alt jucător”, a spus Zehr.

Descoperirea, de asemenea, are potențialul de a schimba agricultura. Capacitatea de a sintetiza îngrășăminte cu amoniac din azotul atmosferic a permis agriculturii și populației mondiale să descopere la începutul secolului al XX-lea. Cunoscut sub numele de procesul Haber-Bosch, face posibilă aproximativ 50% din producția de alimente la nivel mondial. De asemenea, creează cantități enorme de dioxid de carbon: aproximativ 1,4% din emisiile globale provin din proces. Timp de zeci de ani, cercetătorii au încercat să găsească o modalitate de a încorpora fixarea naturală a azotului în agricultură.

„Acest sistem este o nouă perspectivă asupra fixării azotului și ar putea oferi indicii despre modul în care un astfel de organel ar putea fi proiectat. în plantele de cultură”, a spus Coale.

Dar multe întrebări despre UCYN-A și gazda sa de alge rămân fără răspuns. Cercetătorii intenționează să aprofundeze modul în care funcționează UCYN-A și alga și să studieze diferite tulpini.

Kendra Turk-Kubo, profesor asistent la UC Santa Cruz, va continua cercetările în noul ei laborator. Zehr se așteaptă ca oamenii de știință să găsească alte organisme cu povești evolutive similare cu UCYN-A, dar fiind prima de acest gen, această descoperire este una pentru manuale.

(Fluierul)