Вчені відкрили першу азотфіксуючу органеллу

Сучасні підручники з біології стверджують, що тільки бактерії здатні забирати азот з атмосфери і перетворювати його в придатну для життя форму. Рослини, які фіксують азот, наприклад бобові, роблять це, утримуючи симбіотичні бактерії у своїх кореневих бульбочках. Але останнє відкриття перевертає це правило з ніг на голову.

У двох останніх статтях міжнародна група вчених описує першу відому азотфіксуючу органелу в еукаріотичній клітині. Органела є четвертим прикладом в історії первинного ендосимбіозу — процесу, за якого прокаріотична клітина поглинається еукаріотичною клітиною та розвивається за межами симбіозу в органеллу.

«Це дуже рідкісне явище, коли органели виникають унаслідок такого роду речей», — сказав Тайлер Коул, докторант Каліфорнійського університету в Санта-Крузі та перший автор однієї з двох недавніх статей. «Першого разу, коли ми подумали, що це сталося, це дало початок усім складним формам життя. Все, що є більш складним, ніж бактеріальна клітина, завдячує своїм існуванням цій події», — сказав він, маючи на увазі походження мітохондрій. «Приблизно мільярд років тому це знову сталося з хлоропластами, і ми отримали рослини», — сказав Коул.

Третій добре відомий приклад стосується хлоропластоподібного мікроба. Останнє відкриття є першим прикладом азотфіксуючої органели, яку дослідники називають нітропластом.

Десятилітня таємниця

Відкриття органели потребувало трохи удачі та десятиліть роботи. У 1998 році Джонатан Зер, видатний професор морських наук з Каліфорнійського університету в Санта-Крус, знайшов коротку послідовність ДНК того, що, здавалося, походить від невідомої азотфіксуючої ціанобактерії в тихоокеанській морській воді. Захр і його колеги витратили роки на вивчення таємничого об'єкта, який вони назвали UCYN-A.

Тим часом Кіоко Хагіно, палеонтолог з Університету Кочі в Японії, активно намагалася культивувати морські водорості. Виявилося, що це організм-господар UCYN-A. Знадобилося понад 300 експедицій із відбиранням зразків і понад десятиліття, але Хагіно врешті-решт вдалося виростити водорості в культурі, що дозволило іншим дослідникам розпочати вивчення UCYN-A та його морських водоростей-господарів разом у лабораторії.

Протягом багатьох років вчені вважали UCYN-A ендосимбіонтом, тісно пов’язаним з водоростями. Але дві нещодавні статті припускають, що UCYN-A еволюціонував разом зі своїм колишнім симбіотичним господарем і тепер відповідає критеріям органели.

Органічне походження

У статті, опублікованій в клітина У березні 2024 року Зар і його колеги з Массачусетського технологічного інституту, Інституту науки Барселони та Університету Род-Айленда показали, що об’ємне співвідношення між UCYN-A та їхніми водоростями-хазяїнами однакове для різних видів морських еуфітових водоростей. Prarodosphaera bigeloi.

Дослідники використовують модель, щоб продемонструвати, що ріст клітин-господарів і UCYN-A контролюються обміном поживних речовин. Їх метаболічні процеси пов'язані. Ця синхронізація темпів росту змусила дослідників назвати UCYN-A «подібним до органел».

«Це саме те, що відбувається з органелами», — сказав Зар. «Якщо ви подивитеся на мітохондрії та хлоропласти, то це те саме: вони розширюються разом із клітиною».

Але вчені не стали впевнено називати UCYN-A органелою, поки не підтвердили інші докази. В Стаття на обкладинці З журналу наук, опублікованому сьогодні, представлені Захр, Куоллі, Кендра Турк Кубо, Вінг-Кван Естер Мак з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі та співробітники з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско, Національної лабораторії Лоуренса Берклі, Національного океанічного університету Тайваню та Кочі Університет в Японії. UCYN-A імпортує білки з клітин-господарів.

«Це одна з ознак того, що щось переходить від ендосимбіонта до органели», — сказав Зар. «Вони починають позбуватися фрагментів ДНК, їхній геном стає все меншим і меншим, і вони починають покладатися на материнську клітину, щоб перенести ці генні продукти — або сам білок — у клітину».

Коул працював над білками для вивчення. Він порівняв білки, знайдені в ізольованому UCYN-A, з тими, що містяться у всій клітині-хазяїні водоростей. Він виявив, що клітина-господар виробляє білки та позначає їх певною амінокислотною послідовністю, яка повідомляє клітині відправити їх до нітропласта. Потім нітробласт імпортує та використовує білки. Коул визначив функцію деяких білків, які заповнюють прогалини в конкретних шляхах в межах UCYN-A.

«Це щось на зразок чарівної головоломки, яка складається разом і працює разом», — сказав Захр.

У тій же статті дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско показали, що UCYN-A реплікується разом з клітиною водоростей і успадковується, як і інші органели.

Змініть точки зору

Ці незалежні докази не залишають жодних сумнівів у тому, що UCYN-A перевершив роль симбіонта. У той час як мітохондрії та хлоропласти еволюціонували мільярди років тому, нітрогенопласти, схоже, еволюціонували близько 100 мільйонів років тому, надаючи вченим новий, більш сучасний погляд на формування органел.

Органела також дає уявлення про екосистеми океану. Усім живим організмам потрібен азот у біологічно придатній формі, і UCYN-A має глобальне значення завдяки своїй здатності фіксувати азот з атмосфери. Дослідники виявили його скрізь від тропіків до Північного Льодовитого океану, і він фіксує велику кількість азоту.

«Він не просто ще один гравець, — сказав Зер.

Це відкриття також може змінити сільське господарство. Здатність виробляти аміачні добрива з атмосферного азоту дозволила сільському господарству — і населенню світу — злетіти на початку двадцятого століття. Цей процес відомий як процес Габера-Боша, і він дозволяє виробляти близько 50% продуктів харчування у світі. Вони також виробляють величезну кількість вуглекислого газу: близько 1,4% глобальних викидів відбувається від цього процесу. Десятиліттями дослідники намагалися знайти спосіб включити природну фіксацію азоту в сільське господарство.

«Ця система є новим поглядом на фіксацію азоту і може дати підказки щодо того, як створити таку органеллу в культурних рослинах», — сказав Коул.

Але багато запитань про UCYN-A та його водорості залишаються без відповіді. Дослідники планують глибше дослідити, як працюють UCYN-A і водорості, і вивчити різні штами.

Кендра Турк-Кобо, доцент Каліфорнійського університету в Санта-Крус, продовжить дослідження у своїй новій лабораторії. Зар очікує, що вчені знайдуть інші організми з історією еволюції, подібною до UCYN-A, але, оскільки це відкриття є першим у своєму роді, це відкриття для підручників.