Biosinteza proteine și acid nucleic necesita azot cu toate acestea, azotul atmosferic nu este disponibil pentru eucariotelor pentru sinteza organica. Doar puține procariote (cum ar fi cianobacterii, clostridii, arheea etc) au capacitatea de a fixa azotul molecular disponibil din abundență în atmosferă. Unele fixatoare de azot bacterii trăiesc în interiorul celulelor eucariote în relație simbiotică ca endosimbioți. De exemplu, cianobacteriile Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) este un endosimbiont al microalgelor unicelulare Braarudosphaera bigelowii în sistemele marine. Se crede că un astfel de fenomen natural a jucat un rol crucial în evoluția eucariotelor celulă organele mitocondriilor și cloroplastelor prin integrarea bacteriilor endosimbiotice în celula eucariotă. Într-un studiu publicat recent, cercetătorii au descoperit că cianobacteriile „UCYN-A” s-a integrat strâns cu microalgele eucariote Braarudosphaera bigelowii și a evoluat de la un endosimbiont la un organel de celule eucariote fixatoare de azot numit nitroplast. Acest lucru a creat microalge Braarudosphaera bigelowii primul eucariot fixator de azot cunoscut. Această descoperire a extins funcția de fixare a azotului atmosferic de la procariote la eucariote.
Simbioza, adică organisme din diferite specii care împart habitatul și trăiesc împreună, este un fenomen natural comun. Partenerii din relația simbiotică pot beneficia unul de celălalt (mutualism), sau unul poate beneficia în timp ce celălalt rămâne neafectat (comensalism) sau unul beneficiază în timp ce celălalt este prejudiciat (parazitism). Relația simbiotică se numește endosimbioză atunci când un organism trăiește în interiorul celuilalt, de exemplu, o celulă procariotă care trăiește în interiorul unei celule eucariote. Celula procariotă, într-o astfel de situație, se numește endosimbiont.
Endosimbioza (adică interiorizarea procariotelor de către o celulă eucariotă ancestrală) a jucat un rol crucial în evoluția mitocondriilor și a cloroplastelor, organele celulare caracteristice celulelor eucariote mai complexe, care au contribuit la proliferarea formelor de viață eucariote. Se crede că o proteobacterie aerobă a intrat în celula eucariotă ancestrală pentru a deveni un endosimbiont într-o perioadă în care mediul înconjurător devenea din ce în ce mai bogat în oxigen. Capacitatea proteobacterii endosimbionte de a folosi oxigenul pentru a produce energie a permis eucariotei gazdă să prospere în noul mediu, în timp ce celelalte eucariote au dispărut din cauza presiunii de selecție negative impuse de noul mediu bogat în oxigen. În cele din urmă, proteobacteria sa integrat cu sistemul gazdă pentru a deveni o mitocondrie. În mod similar, unele cianobacterii de fotosinteză au intrat în eucariotele ancestrale pentru a deveni endosimbionte. La timp, ei s-au asimilat cu sistemul gazdă eucariotă pentru a deveni cloroplaste. Eucariotele cu cloroplaste au dobândit capacitatea de a fixa carbonul atmosferic și au devenit autotrofe. Evoluția eucariotelor care fixează carbonul din eucariotele ancestrale a fost un punct de cotitură în istoria vieții pe pământ.
Azotul este necesar pentru sinteza organică a proteinelor și acizilor nucleici, totuși capacitatea de a fixa azotul atmosferic este limitată doar la câteva procariote (cum ar fi unele cianobacterie, clostridii, arhee etc.). Niciun eucariote cunoscut nu poate fixa independent azotul atmosferic. Relațiile endosimbiotice mutuale dintre procariotele fixatoare de azot și eucariotele fixatoare de carbon care au nevoie de azot pentru a crește sunt văzute în natură. Un astfel de exemplu este parteneriatul dintre cianobacteriile Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) și microalgele unicelulare Braarudosphaera bigelowii în sistemele marine.
Într-un studiu recent, relația endosimbiotică dintre cianobacteriile Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) și microalgele unicelulare Braarudosphaera bigelowii a fost investigată folosind tomografie cu raze X moi. Vizualizarea morfologiei celulare și diviziunea algei a dezvăluit un ciclu celular coordonat în care cianobacteriile endosimbionte s-au împărțit uniform, exact așa cum cloroplastele și mitocondriile dintr-o eucariotă se divid în timpul diviziunii celulare. Studiul proteinelor implicate în activitățile celulare a arătat că o parte considerabilă dintre acestea au fost codificate de genomul algelor. Aceasta a inclus proteine esențiale pentru biosinteză, creșterea celulelor și diviziunea. Aceste descoperiri sugerează că cianobacteriile endosimbionte s-au integrat strâns cu sistemul celular gazdă și au trecut de la un endosimbiont la un organel cu drepturi depline al celulei gazdă. Ca o consecință, celula de alge gazdă a dobândit capacitatea de a fixa azotul atmosferic pentru sinteza proteinelor și acizilor nucleici necesari creșterii. Noul organel este numit nitroplast datorită capacității sale de fixare a azotului.
Acest lucru face ca microalgele unicelulare Braarudosphaera bigelowii primul eucariot fixator de azot.Această dezvoltare poate avea implicaţii pentru agricultură și industria îngrășămintelor chimice pe termen lung.
***
Referinte:
- Coale, TH et al. 2024. Organele fixatoare de azot într-o algă marine. Ştiinţă. 11 apr 2024. Vol 384, Issue 6692 pp. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle. ŞTIINŢĂ. 11 aprilie 2024. Vol 384, Issue 6692. pp. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
