Biosinteza proteini i nukleinske kiseline zahtijevati dušik međutim atmosferski dušik nije dostupan eukariota za organsku sintezu. Samo nekoliko prokariota (kao što je cijanobakterije, klostridije, Archaea itd.) imaju sposobnost fiksiranja molekularnog dušika koji je u izobilju dostupan u atmosfera. Neka fiksacija dušika bakterija žive unutar eukariotskih stanica u simbiotskom odnosu kao endosimbionti. Na primjer, cijanobakterije Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) je endosimbiont jednostanične mikroalge Braarudosphaera bigelowii u pomorskim sustavima. Smatra se da je takav prirodni fenomen odigrao ključnu ulogu u evoluciji eukariota ćelija organele mitohondrije i kloroplaste integracijom endosimbiotskih bakterija u eukariotsku stanicu. U nedavno objavljenoj studiji, istraživači su otkrili da cijanobakterije "UCYN-A” blisko se integrirao s eukariotskim mikroalgama Braarudosphaera bigelowii i evoluirao je od endosimbionta do organele eukariotske stanice koja fiksira dušik nazvanog nitroplast. Ovo je stvorilo mikroalge Braarudosphaera bigelowii prvi poznati eukariot koji veže dušik. Ovo je otkriće proširilo funkciju fiksacije atmosferskog dušika s prokariota na eukariote.
Simbioza, tj. organizmi različitih vrsta koji dijele stanište i žive zajedno, uobičajena je prirodna pojava. Partneri u simbiotskom odnosu mogu imati koristi jedan od drugoga (mutualizam), ili jedan može imati koristi dok drugi ostaje nepromijenjen (komenzalizam) ili jedan ima koristi dok drugi trpi štetu (parazitizam). Simbiotski odnos naziva se endosimbioza kada jedan organizam živi unutar drugog, na primjer, prokariotska stanica živi unutar eukariotske stanice. Prokariotska stanica se u takvoj situaciji naziva endosimbiont.
Endosimbioza (tj. internalizacija prokariota od strane predačke eukariotske stanice) odigrala je ključnu ulogu u evoluciji mitohondrija i kloroplasta, staničnih organela karakterističnih za složenije eukariotske stanice, koje su pridonijele proliferaciji eukariotskih oblika života. Smatra se da je aerobna proteobakterija ušla u eukariotsku stanicu predaka i postala endosimbiont u vrijeme kada je okoliš postajao sve bogatiji kisikom. Sposobnost endosimbiontne proteobakterije da koristi kisik za stvaranje energije omogućila je eukariotu domaćinu da napreduje u novom okruženju dok su drugi eukarioti izumrli zbog negativnog selekcijskog pritiska nametnutog novim okolišem bogatim kisikom. Na kraju se proteobakterija integrirala sa sustavom domaćina i postala mitohondrij. Slično tome, neke cijanobakterije koje vrše fotosintezu ušle su u predačke eukariote da bi postale endosimbiont. S vremenom su se asimilirali s eukariotskim sustavom domaćina i postali kloroplasti. Eukarioti s kloroplastima stekli su sposobnost fiksiranja atmosferskog ugljika i postali autotrofi. Evolucija eukariota koji fiksiraju ugljik od predaka eukariota bila je prekretnica u povijesti života na Zemlji.
Dušik je potreban za organsku sintezu proteina i nukleinskih kiselina, međutim sposobnost fiksiranja atmosferskog dušika ograničena je samo na nekoliko prokariota (kao što su neke cijanobakterije, klostridije, arheje itd.). Nijedan poznati eukarioti ne može samostalno fiksirati atmosferski dušik. Mutualistički endosimbiotski odnosi između prokariota koji fiksiraju dušik i eukariota koji fiksiraju ugljik kojima je za rast potreban dušik vidljivi su u prirodi. Jedan takav primjer je partnerstvo između cijanobakterije Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) i jednostanične mikroalge Braarudosphaera bigelowii u morskim sustavima.
U nedavnoj studiji, endosimbiotski odnos između cijanobakterije Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) i jednostanične mikroalge Braarudosphaera bigelowii istražen je mekom rendgenskom tomografijom. Vizualizacija stanične morfologije i diobe alge otkrila je koordinirani stanični ciklus u kojem se endosimbiontne cijanobakterije ravnomjerno dijele upravo onako kako se kloroplasti i mitohondriji u eukariotu dijele tijekom stanične diobe. Proučavanje proteina uključenih u stanične aktivnosti otkrilo je da je značajan dio njih kodiran genomom algi. To uključuje proteine neophodne za biosintezu, rast stanica i diobu. Ova otkrića upućuju na to da se endosimbiontna cijanobakterija usko integrirala u stanični sustav domaćina i prešla iz endosimbionta u punopravnu organelu stanice domaćina. Kao posljedica toga, stanica alge domaćina stekla je sposobnost fiksiranja atmosferskog dušika za sintezu proteina i nukleinskih kiselina potrebnih za rast. Nova organela je imenovana nitroplast zbog svoje sposobnosti fiksiranja dušika.
To čini jednostanične mikroalge Braarudosphaera bigelowii prvi eukariot koji veže dušik. Ovaj razvoj može imati implikacije za poljoprivreda i industrija kemijskih gnojiva dugoročno gledano.
***
Reference:
- Coale, TH sur. 2024. Organela za fiksiranje dušika u morskoj algi. Znanost. 11. travnja 2024. Svezak 384, broj 6692, str. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplast: organela za fiksiranje dušika. ZNANOST. 11. travnja 2024. Svezak 384, broj 6692. str. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
