Šiuolaikiniai biologijos vadovėliai teigia, kad tik bakterijos gali paimti azotą iš atmosferos ir paversti jį gyventi tinkama forma. Augalai, fiksuojantys azotą, pavyzdžiui, ankštiniai augalai, tai daro savo šaknų mazgeliuose kaupdami simbiotines bakterijas. Tačiau naujausias atradimas apverčia šią taisyklę aukštyn kojomis.

Dviejuose naujausiuose straipsniuose tarptautinė mokslininkų komanda aprašo pirmąją žinomą azotą fiksuojančią organelę eukariotinės ląstelės viduje. Organelė yra ketvirtasis pavyzdys pirminės endosimbiozės istorijoje – procesas, kurio metu prokariotinę ląstelę sugeria eukariotinė ląstelė ir už simbiozės evoliucionuoja į organelę.

„Labai retai dėl tokio dalyko atsiranda organelių“, – sakė Santa Kruzo universiteto doktorantas ir pirmasis vieno iš dviejų naujausių straipsnių autorius Tyleris Cole'as. „Kai pirmą kartą pagalvojome, kad taip atsitiko, atsirado visų sudėtingų gyvybės formų. Viskas, kas sudėtingesnė už bakterinę ląstelę, yra dėl šio įvykio”, – sakė jis, turėdamas omenyje mitochondrijų kilmę. „Maždaug prieš milijardą metų tai pasikartojo su chloroplastais, ir tai davė mums augalų“, – sakė Cole'as.

Trečias gerai žinomas pavyzdys yra į chloroplastą panašus mikrobas. Naujausias atradimas yra pirmasis azotą fiksuojančios organelės, kurią mokslininkai vadina nitroplastu, pavyzdys.

Dešimtmečių senumo paslaptis

Norint atrasti organelę, prireikė šiek tiek sėkmės ir dešimtmečių darbo. 1998 m. Jonathanas Zehras, žymus Kalifornijos universiteto Santa Kruze jūrų mokslų profesorius, Ramiojo vandenyno vandenyje rado trumpą DNR seką iš nežinomų azotą fiksuojančių cianobakterijų. Zahras ir jo kolegos ilgus metus tyrinėjo paslaptingą objektą, kurį pavadino UCYN-A.

Tuo tarpu Japonijos Kochi universiteto paleontologas Kyoko Hagino aktyviai bandė kultivuoti jūros dumblius. Paaiškėjo, kad tai yra UCYN-A šeimininkas. Prireikė daugiau nei 300 mėginių ėmimo ekspedicijų ir daugiau nei dešimtmetį, tačiau Hagino galiausiai pavyko auginti dumblius kultūroje, o tai leido kitiems tyrėjams kartu pradėti tirti UCYN-A ir jos jūrinių dumblių šeimininką laboratorijoje.

Daugelį metų mokslininkai laikė UCYN-A endosimbiontu, glaudžiai susijusiu su dumbliais. Tačiau du naujausi dokumentai rodo, kad UCYN-A išsivystė kartu su savo buvusiu simbiotiniu šeimininku ir dabar atitinka organelės kriterijus.

Organinės kilmės

Straipsnyje, paskelbtame m ląstelė 2024 m. kovo mėn. Zahras ir kolegos iš MIT, Instituto de Ciencia Barcelona ir Rod Ailendo universiteto parodė, kad UCYN-A ir jų dumblių šeimininkų tūrio santykis yra panašus įvairiose jūrinių eufitinių dumblių rūšyse. Prarodosphaera bigeloi.

Tyrėjai naudoja modelį, norėdami parodyti, kad šeimininko ląstelių augimas ir UCYN-A yra kontroliuojami keičiantis maistinėmis medžiagomis. Jų medžiagų apykaitos procesai yra susiję. Šis augimo tempų sinchronizavimas paskatino mokslininkus UCYN-A pavadinti „panašiu į organeles“.

„Būtent taip atsitinka su organelėmis“, – sakė Zahr. „Jei pažvelgsite į mitochondrijas ir chloroplastus, jie yra tas pats: jie plečiasi kartu su ląstele.

Tačiau mokslininkai UCYN-A nevadino organele, kol nepatvirtino kitų įrodymų. Viduje Viršelis straipsnis Iš žurnalo Mokslai, paskelbtame šiandien, yra Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak iš Kalifornijos universiteto Santa Kruze ir bendradarbiai iš Kalifornijos universiteto San Franciske, Lawrence'o Berkeley nacionalinės laboratorijos, Nacionalinio Taivano vandenyno universiteto ir Kochi. Universitetas Japonijoje. UCYN-A importuoja baltymus iš savo ląstelių šeimininkų.

„Tai yra vienas iš požymių, kai kažkas pereina iš endosimbionto į organelę“, – sakė Zahras. „Jie pradeda atsikratyti DNR gabalėlių, jų genomas tampa vis mažesnis ir mažesnis, ir jie pradeda pasikliauti motinine ląstele, kad perneštų tuos genų produktus – arba patį baltymą – į ląstelę.”

Cole'as tyrinėjo baltymus. Jis palygino baltymus, esančius izoliuotoje UCYN-A, su baltymais, esančiais visoje dumblių šeimininko ląstelėje. Jis nustatė, kad ląstelė-šeimininkė gamina baltymus ir paženklina juos specifine aminorūgščių seka, kuri liepia ląstelei siųsti juos į nitroplastą. Tada nitroblastas importuoja ir naudoja baltymus. Cole'as nustatė kai kurių baltymų, kurie užpildo spragas konkrečiuose UCYN-A keliuose, funkciją.

„Tai tarsi stebuklinga dėlionė, kuri dera ir veikia kartu“, – sakė Zahr.

Tame pačiame dokumente mokslininkai iš Kalifornijos universiteto San Franciske parodė, kad UCYN-A replikuojasi kartu su dumblių ląstele ir yra paveldima kaip ir kitos organelės.

Keisti perspektyvas

Šios nepriklausomos įrodymų linijos nepalieka abejonių, kad UCYN-A peržengė simbiono vaidmenį. Nors mitochondrijos ir chloroplastai išsivystė prieš milijardus metų, atrodo, kad azotoplastai išsivystė maždaug prieš 100 milijonų metų, o tai suteikė mokslininkams naują, modernesnę organelių formavimosi perspektyvą.

Organelė taip pat suteikia supratimo apie vandenynų ekosistemas. Visiems gyviems organizmams reikia biologiškai tinkamos formos azoto, o UCYN-A yra pasauliniu mastu svarbi dėl gebėjimo surišti azotą iš atmosferos. Tyrėjai jo aptiko visur – nuo ​​atogrąžų iki Arkties vandenyno ir fiksuoja didelį azoto kiekį.

„Jis nėra tik dar vienas žaidėjas“, – sakė Zehras.

Šis atradimas taip pat gali pakeisti žemės ūkį. Gebėjimas gaminti amoniako trąšas iš atmosferinio azoto leido žemės ūkiui ir pasaulio gyventojams pakilti XX amžiaus pradžioje. Šis procesas žinomas kaip Haber-Bosch procesas ir leidžia pagaminti apie 50 % pasaulio maisto. Jie taip pat išskiria didžiulius kiekius anglies dioksido: apie 1,4 % viso pasaulio išmetamų teršalų susidaro dėl šio proceso. Dešimtmečius mokslininkai bandė atrasti būdą, kaip natūralų azoto fiksavimą įtraukti į žemės ūkį.

„Ši sistema yra nauja azoto fiksavimo perspektyva ir gali suteikti užuominų, kaip tokią organelę paversti pasėlių augalais”, – sakė Cole'as.

Tačiau daugelis klausimų apie UCYN-A ir jo dumblių šeimininką lieka neatsakyti. Tyrėjai planuoja giliau įsigilinti į UCYN-A ir dumblių veikimą ir tirti skirtingas padermes.

Kendra Turk-Cobo, UC Santa Cruz docentė, tęs tyrimus savo naujoje laboratorijoje. Zahr tikisi, kad mokslininkai suras kitų organizmų, kurių evoliucijos istorijos panašios į UCYN-A, tačiau šis atradimas, kaip pirmasis tokio pobūdžio, yra vienas iš vadovėlių.