Біосинтез білки та нуклеїнової кислоти вимагати азоту однак атмосферний азот недоступний еукаріот для органічного синтезу. Лише кілька прокаріотів (наприклад ціанобактерій, клостридії, археї тощо) мають здатність фіксувати молекулярний азот, який у великій кількості є в атмосфера. Деякі азотфіксуючі бактерії живуть в еукаріотичних клітинах у симбіотичних відносинах як ендосимбіонти. Наприклад, ціанобактерії Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) є ендосимбіонтом одноклітинних мікроводоростей Braarudosphaera bigelowii в морських системах. Вважається, що таке природне явище зіграло вирішальну роль в еволюції еукаріот. осередок органели мітохондрії та хлоропласти через інтеграцію ендосимбіотичних бактерій до еукаріотичної клітини. У нещодавно опублікованому дослідженні дослідники виявили, що ціанобактерії “УЦИН-А” тісно інтегрувався з еукаріотичними мікроводоростями Braarudosphaera bigelowii і еволюціонував від ендосимбіонта до азотфіксуючої еукаріотичної клітинної органели під назвою нітропласт. Це створило мікроводорості Braarudosphaera bigelowii перший відомий азотфіксуючий еукаріот. Це відкриття розширило функцію фіксації атмосферного азоту від прокаріот до еукаріотів.
Симбіоз, тобто живуть разом організми різних видів у спільному середовищі існування, є звичайним природним явищем. Партнери в симбіотичних стосунках можуть отримувати вигоду один від одного (мутуалізм), або один може отримувати вигоду, в той час як інший залишатися незмінним (комменсалізм), або один отримувати вигоду, тоді як інший зазнає шкоди (паразитизм). Симбіотичні відносини називаються ендосимбіозом, коли один організм живе всередині іншого, наприклад, прокаріотична клітина живе всередині еукаріотичної клітини. Прокаріотична клітина в такій ситуації називається ендосимбіонтом.
Ендосимбіоз (тобто інтерналізація прокаріот предковою еукаріотичною клітиною) відіграв вирішальну роль в еволюції мітохондрій і хлоропластів, клітинних органел, характерних для більш складних еукаріотичних клітин, які сприяли проліферації еукаріотичних форм життя. Вважається, що аеробна протеобактерія увійшла в предкову еукаріотичну клітину, щоб стати ендосимбіонтом у той час, коли навколишнє середовище ставало все більш насиченим киснем. Здатність ендосимбіонтної протеобактерії використовувати кисень для виробництва енергії дозволила еукаріотам-хазяїнам процвітати в новому середовищі, тоді як інші еукаріоти вимерли через негативний тиск відбору, створений новим багатим киснем середовищем. Згодом протеобактерія інтегрувалася з системою господаря, щоб стати мітохондрією. Подібним чином деякі фотосинтезуючі ціанобактерії увійшли до еукаріот-предків, щоб стати ендосимбіонтами. Згодом вони асимілювалися з еукаріотичною системою господаря, щоб стати хлоропластами. Еукаріоти з хлоропластами набули здатності фіксувати атмосферний вуглець і стали автотрофами. Еволюція еукаріотів, що фіксують вуглець, від еукаріот-предків стала поворотним моментом в історії життя на землі.
Азот необхідний для органічного синтезу білків і нуклеїнових кислот, однак здатність фіксувати атмосферний азот обмежена лише кількома прокаріотами (такими як деякі ціанобактерії, клостридії, археї тощо). Жоден відомий еукаріот не може самостійно фіксувати атмосферний азот. Мутуалістичні ендосимбіотичні відносини між азотфіксуючими прокаріотами та вуглецьфіксуючими еукаріотами, яким для росту потрібен азот, спостерігаються в природі. Одним із таких прикладів є партнерство між ціанобактеріями Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) та одноклітинними мікроводоростями Braarudosphaera bigelowii у морських системах.
У недавньому дослідженні за допомогою м’якої рентгенівської томографії було досліджено ендосимбіотичний зв’язок між ціанобактеріями Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) та одноклітинними мікроводоростями Braarudosphaera bigelowii. Візуалізація клітинної морфології та поділу водорості показала скоординований клітинний цикл, у якому ендосимбіонтні ціанобактерії діляться рівномірно, як хлоропласти та мітохондрії в еукаріотах діляться під час поділу клітини. Дослідження білків, які беруть участь у клітинній діяльності, показало, що значна їх частка була закодована геномом водоростей. Це включало білки, необхідні для біосинтезу, росту та поділу клітин. Ці знахідки свідчать про те, що ендосимбіонт ціанобактерії тісно інтегрувався з клітинною системою хазяїна і перейшов від ендосимбіонта до повноцінної органели клітини хазяїна. Як наслідок, клітина водорості-господаря набула здатності фіксувати атмосферний азот для синтезу білків і нуклеїнових кислот, необхідних для росту. Нова органела названа нітропласт завдяки своїй азотфіксуючій здатності.
Так утворюються одноклітинні мікроводорості Braarudosphaera bigelowii перший еукаріот, що фіксує азот. Цей розвиток може мати наслідки для сільське господарство промисловість хімічних добрив у довгостроковій перспективі.
***
Список використаної літератури:
- Коул, TH та інші 2024. Азотфіксуюча органела в морській водорості. Наука. 11 квітня 2024 р. Том 384, випуск 6692, стор. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Массана Р., 2024. Нітропласт: азотфіксуюча органела. НАУКА. 11 квітня 2024 р. Том 384, випуск 6692. С. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
