Открытие азотфиксирующей клетки-органеллы нитропласта у эукариотических водорослей   

Биосинтез белки и нуклеиновая кислота требовать азот однако атмосферный азот недоступен для эукариоты для органического синтеза. Лишь немногие прокариоты (например, цианобактерии, клостридии, археи и т. д.) обладают способностью фиксировать молекулярный азот, в изобилии доступный в атмосфера. Немного азотфиксирующих бактерии живут внутри эукариотических клеток в симбиотических отношениях как эндосимбионты. Например, цианобактерии Кандидат Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) — эндосимбионт одноклеточных микроводорослей. Браарудосфера бигеловии в морских системах. Считается, что такое природное явление сыграло решающую роль в эволюции эукариот. ячейка органеллы митохондрии и хлоропласты путем интеграции эндосимбиотических бактерий в эукариотическую клетку. В недавно опубликованном исследовании исследователи обнаружили, что цианобактерии «УЦИН-А«тесно интегрировались с эукариотическими микроводорослями Браарудосфера бигеловии и превратился из эндосимбионта в азотфиксирующую органеллу эукариотической клетки, названную нитропластом. Это заставило микроводоросли Браарудосфера бигеловии первый известный эукариот, фиксирующий азот. Это открытие расширило функцию фиксации атмосферного азота от прокариот к эукариотам.  

Симбиоз, т. е. совместное проживание организмов разных видов, является обычным природным явлением. Партнеры в симбиотических отношениях могут получать выгоду друг от друга (мутуализм), или один может получать выгоду, в то время как другой остается незатронутым (комменсализм), или один получает выгоду, а другому причиняется вред (паразитизм). Симбиотические отношения называются эндосимбиозом, когда один организм живет внутри другого, например, прокариотическая клетка живет внутри эукариотической клетки. Прокариотическая клетка в такой ситуации называется эндосимбионтом.  

Эндосимбиоз (т. е. интернализация прокариотов предковой эукариотической клеткой) сыграл решающую роль в эволюции митохондрий и хлоропластов, клеток-органелл, характерных для более сложных эукариотических клеток, которые способствовали пролиферации эукариотических форм жизни. Считается, что аэробная протеобактерия проникла в предковую эукариотическую клетку и стала эндосимбионтом в то время, когда окружающая среда все больше обогащалась кислородом. Способность эндосимбионтной протеобактерии использовать кислород для производства энергии позволила эукариоту-хозяину процветать в новой среде, в то время как другие эукариоты вымерли из-за отрицательного давления отбора, наложенного новой богатой кислородом средой. В конце концов, протеобактерия интегрировалась с системой-хозяином и стала митохондрией. Точно так же некоторые фотосинтезирующие цианобактерии вошли в состав предков эукариот и стали эндосимбионтами. Со временем они ассимилировались с эукариотической системой-хозяином и превратились в хлоропласты. Эукариоты с хлоропластами приобрели способность фиксировать атмосферный углерод и стали автотрофами. Эволюция эукариот, связывающих углерод, от предков эукариот стала поворотным моментом в истории жизни на Земле. 

Азот необходим для органического синтеза белков и нуклеиновых кислот, однако способность фиксировать атмосферный азот ограничена лишь немногими прокариотами (например, некоторыми цианобактериями, клостридиями, архей и т. д.). Ни один из известных эукариотов не может самостоятельно фиксировать атмосферный азот. В природе наблюдаются мутуалистические эндосимбиотические отношения между азотфиксирующими прокариотами и углеродфиксирующими эукариотами, которым для роста необходим азот. Одним из таких примеров является партнерство между цианобактериями Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) и одноклеточными микроводорослями Braarudosphaera bigelowii в морских системах.  

В недавнем исследовании эндосимбиотические отношения между цианобактериями Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) и одноклеточными микроводорослями Braarudosphaera bigelowii были изучены с помощью мягкой рентгеновской томографии. Визуализация морфологии клеток и деления водорослей выявила скоординированный клеточный цикл, в котором эндосимбионты цианобактерий делятся равномерно, точно так же, как хлоропласты и митохондрии у эукариот делятся во время деления клеток. Изучение белков, участвующих в клеточной деятельности, показало, что значительная их часть кодируется геномом водорослей. Сюда входили белки, необходимые для биосинтеза, роста и деления клеток. Эти данные позволяют предположить, что эндосимбионтные цианобактерии тесно интегрировались с клеточной системой хозяина и превратились из эндосимбионта в полноценную органеллу клетки-хозяина. В результате клетка водоросли-хозяина приобрела способность фиксировать атмосферный азот для синтеза белков и нуклеиновых кислот, необходимых для роста. Новая органелла получила название нитропласт из-за его способности связывать азот.  

Это делает одноклеточные микроводоросли Браарудосфера бигеловии первый азотфиксирующий эукариот. Это открытие может иметь значение для сельское хозяйство и промышленность химических удобрений в долгосрочной перспективе.

Ссылки:  

1. Коул, TH и другие 2024. Азотфиксирующая органелла морской водоросли. Наука. 11 апреля 2024 г. Том 384, выпуск 6692, стр. 217–222. ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Массана Р., 2024. Нитропласт: азотфиксирующая органелла. НАУКА. 11 апреля 2024 г. Том 384, выпуск 6692. С. 160–161. ДОИ: https://doi.org/10.1126/science.ado8571