Откриване на азот-фиксиращ клетъчен органел нитропласт в еукариотно водорасло   

Биосинтеза на протеини намлява нуклеинова киселина изисква азот обаче атмосферният азот не е достъпен еукариоти за органичен синтез. Само няколко прокариоти (като напр цианобактерии, клостридии, архибактерии и т.н.) имат способността да фиксират изобилно наличния молекулярен азот в атмосфера. Някои азотфиксиращи бактерии живеят вътре в еукариотните клетки в симбиотична връзка като ендосимбионти. Например цианобактериите Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) е ендосимбионт на едноклетъчните микроводорасли Braarudosphaera bigelowii в морски системи. Смята се, че подобен природен феномен е изиграл решаваща роля в еволюцията на еукариотите клетка органели митохондрии и хлоропласти чрез интегриране на ендосимбиотични бактерии към еукариотната клетка. В наскоро публикувано проучване изследователите установиха, че цианобактериите „UCYN-A” тясно се интегрира с еукариотните микроводорасли Braarudosphaera bigelowii и еволюира от ендосимбионт до азотфиксираща еукариотна клетъчна органела, наречена нитропласт. Това създаде микроводорасли Braarudosphaera bigelowii първият известен азотфиксиращ еукариот. Това откритие разшири функцията за фиксиране на атмосферния азот от прокариоти към еукариоти.  

Симбиозата, т.е. организми от различни видове, които споделят местообитание и живеят заедно, е често срещано природно явление. Партньорите в симбиотичната връзка могат да се възползват един от друг (мутуализъм), или единият може да се възползва, докато другият остава незасегнат (коменсализъм), или единият да се облагодетелства, докато другият е вреден (паразитизъм). Симбиотичната връзка се нарича ендосимбиоза, когато един организъм живее вътре в другия, например прокариотна клетка, живееща вътре в еукариотна клетка. Прокариотната клетка в такава ситуация се нарича ендосимбионт.  

Ендосимбиозата (т.е. интернализацията на прокариотите от прародителска еукариотна клетка) изигра решаваща роля в еволюцията на митохондриите и хлоропластите, клетъчните органели, характерни за по-сложни еукариотни клетки, които допринесоха за разпространението на еукариотни форми на живот. Смята се, че една аеробна протеобактерия е навлязла в еукариотната клетка на предците, за да стане ендосимбионт във време, когато околната среда става все по-богата на кислород. Способността на ендосимбионтната протеобактерия да използва кислород, за да произвежда енергия, позволи на еукариота гостоприемник да процъфтява в новата среда, докато другите еукариоти изчезнаха поради отрицателен селективен натиск, наложен от новата богата на кислород среда. В крайна сметка протеобактерията се интегрира със системата гостоприемник, за да се превърне в митохондрия. По подобен начин някои фотосинтезиращи цианобактерии са навлезли в предците еукариоти, за да станат ендосимбионти. След време те се асимилираха с еукариотната гостоприемна система, за да станат хлоропласти. Еукариотите с хлоропласти придобиват способността да фиксират атмосферния въглерод и стават автотрофи. Еволюцията на въглерод-фиксиращите еукариоти от прародителските еукариоти беше повратна точка в историята на живота на земята. 

Азотът е необходим за органичния синтез на протеини и нуклеинови киселини, но способността за фиксиране на атмосферния азот е ограничена само до няколко прокариоти (като някои цианобактерии, клостридии, археи и т.н.). Никой известен еукариот не може самостоятелно да фиксира атмосферния азот. В природата се наблюдават взаимни ендосимбиотични връзки между азотфиксиращи прокариоти и въглеродфиксиращи еукариоти, които се нуждаят от азот, за да растат. Един такъв пример е партньорството между цианобактериите Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) и едноклетъчните микроводорасли Braarudosphaera bigelowii в морските системи.  

В скорошно проучване ендосимбиотичната връзка между цианобактериите Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) и едноклетъчните микроводорасли Braarudosphaera bigelowii е изследвана с помощта на мека рентгенова томография. Визуализацията на клетъчната морфология и деленето на водораслото разкрива координиран клетъчен цикъл, в който ендосимбионтните цианобактерии се разделят равномерно точно по начина, по който хлоропластите и митохондриите в еукариотите се делят по време на клетъчното делене. Изследване на протеини, участващи в клетъчните дейности, разкри, че значителна част от тях са кодирани от генома на водораслите. Това включва протеини, необходими за биосинтезата, клетъчния растеж и деленето. Тези открития предполагат, че ендосимбионтните цианобактерии са тясно интегрирани с клетъчната система на гостоприемника и са преминали от ендосимбионт към пълноправен органел на клетката гостоприемник. В резултат на това клетката на водораслите гостоприемник придобива способността да фиксира атмосферния азот за синтеза на протеини и нуклеинови киселини, необходими за растежа. Новата органела е кръстена нитропласт поради способността си да фиксира азот.  

Това прави едноклетъчните микроводорасли Braarudosphaera bigelowii първият азотфиксиращ еукариот. Това развитие може да има последици за селско стопанство и индустрията за химически торове в дългосрочен план.

*** 

Литература:  

1. Коул, TH и др. 2024. Азотфиксиращи органели в морски водорасли. Наука. 11 април 2024 г. Том 384, брой 6692, стр. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Massana R., 2024. Нитропластът: азотфиксиращ органел. НАУКА. 11 април 2024 г. Том 384, брой 6692. стр. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***