Zinātnieki ir atklājuši pirmo slāpekli fiksējošo organellu

Mūsdienu bioloģijas mācību grāmatas apgalvo, ka tikai baktērijas spēj uzņemt slāpekli no atmosfēras un pārvērst to apdzīvošanai piemērotā formā. Augi, kas fiksē slāpekli, piemēram, pākšaugi, to dara, savos sakņu mezgliņos saglabājot simbiotiskas baktērijas. Taču jaunākais atklājums apgriež šo noteikumu kājām gaisā.

Divos nesenajos rakstos starptautiska zinātnieku komanda apraksta pirmo zināmo slāpekli fiksējošo organellu eikariotu šūnā. Organelle ir ceturtais piemērs primārās endosimbiozes vēsturē — process, kurā prokariotu šūnu aprij eikariotu šūna un ārpus simbiozes pārvēršas par organellu.

“Ir ļoti reti gadījumi, kad no šāda veida lietām rodas organoīdi,” sacīja Tailers Kols, UC Santa Cruz pēcdoktorantūras pētnieks un pirmais autors vienam no diviem nesenajiem rakstiem. “Pirmo reizi, kad domājām, ka tas noticis, tas radīja visas sarežģītās dzīvības formas. Viss, kas ir sarežģītāks par baktēriju šūnu, ir parādā par savu eksistenci šim notikumam,” viņš teica, runājot par mitohondriju izcelsmi. “Apmēram pirms miljarda gadu tas atkal notika ar hloroplastiem, un tas mums deva augus,” sacīja Kols.

Trešais labi zināms piemērs ir hloroplastam līdzīgs mikrobs. Jaunākais atklājums ir pirmais slāpekli fiksējošas organellas piemērs, ko pētnieki dēvē par nitroplastu.

Gadu desmitiem vecs noslēpums

Organelles atklāšana prasīja nedaudz veiksmes un gadu desmitiem ilga darba. 1998. gadā Džonatans Zars, izcilais jūras zinātnes profesors Kalifornijas universitātē Santakrusā, atrada īsu DNS secību no nezināmas slāpekli fiksējošās zilaļģes Klusā okeāna jūras ūdenī. Zahr un viņa kolēģi pavadīja gadus, pētot noslēpumaino objektu, ko viņi nosauca par UCYN-A.

Tikmēr Japānas Koči universitātes paleontologs Kyoko Hagino aktīvi mēģināja kultivēt jūraszāles. Izrādījās, ka tas ir UCYN-A saimniekorganisms. Pagāja vairāk nekā 300 paraugu ņemšanas ekspedīcijas un vairāk nekā desmit gadus, bet Hagino galu galā izdevās audzēt aļģes kultūrā, ļaujot citiem pētniekiem kopā laboratorijā sākt pētīt UCYN-A un tās jūras aļģu saimniekorganismu.

Daudzus gadus zinātnieki uzskatīja, ka UCYN-A ir endosimbionts, kas ir cieši saistīts ar aļģēm. Bet divi nesenie dokumenti liecina, ka UCYN-A ir attīstījies kopā ar savu bijušo simbiotisko saimniekorganismu un tagad atbilst organelles kritērijiem.

Organiskā izcelsme

gadā publicētajā rakstā šūna 2024. gada martā Zahr un kolēģi no MIT, Instituto de Ciencia de Barcelona un Rodailendas universitātes parādīja, ka tilpuma attiecība starp UCYN-A un to aļģu saimniekiem ir līdzīga dažādām jūras eifīta aļģu sugām. Prarodosphaera bigeloi.

Pētnieki izmanto modeli, lai parādītu, ka saimniekšūnu augšanu un UCYN-A kontrolē barības vielu apmaiņa. Viņu vielmaiņas procesi ir saistīti. Šī augšanas ātruma sinhronizācija lika pētniekiem UCYN-A nosaukt par “organellām līdzīgu”.

“Tas ir tieši tas, kas notiek ar organellām,” sacīja Zars. “Ja paskatās uz mitohondrijiem un hloroplastiem, tie ir viens un tas pats: tie paplašinās līdz ar šūnu.”

Taču zinātnieki nepārliecinoši nosauca UCYN-A par organellu, kamēr viņi neapstiprināja citus pierādījumus. Iekš Vāka raksts No žurnāla Zinātnes, publicēts šodien, un tajā piedalās Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak no Kalifornijas Universitātes Santakrusā un līdzstrādnieki no Kalifornijas Universitātes Sanfrancisko, Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas, Taivānas Nacionālās okeāna universitātes un Koči. Universitāte Japānā. UCYN-A importē olbaltumvielas no savām saimniekšūnām.

“Šī ir viena no pazīmēm tam, ka kaut kas no endosimbionta pāriet uz organellu,” sacīja Zars. “Viņi sāk atbrīvoties no DNS gabaliņiem, viņu genoms kļūst mazāks un mazāks, un viņi sāk paļauties uz mātes šūnu, lai pārnestu šos gēnu produktus – vai pašu proteīnu – šūnā.”

Kols strādāja pie olbaltumvielām, lai pētītu. Viņš salīdzināja proteīnus, kas atrodami izolētajā UCYN-A, ar tiem, kas atrodami visā aļģu saimniekšūnā. Viņš atklāja, ka saimniekšūna ražo olbaltumvielas un marķē tās ar noteiktu aminoskābju secību, kas liek šūnai tās nosūtīt uz nitroplastu. Pēc tam nitroblasts importē un izmanto olbaltumvielas. Kols identificēja dažu proteīnu funkciju, kas aizpilda nepilnības īpašos UCYN-A ceļos.

“Tā ir tāda kā burvju mozaīka, kas sader kopā un darbojas kopā,” sacīja Zars.

Tajā pašā dokumentā pētnieki no Kalifornijas Universitātes Sanfrancisko parādīja, ka UCYN-A atkārtojas kopā ar aļģu šūnu un tiek mantota tāpat kā citas organellas.

Mainiet perspektīvas

Šīs neatkarīgās pierādījumu līnijas neatstāj šaubas, ka UCYN-A ir pārspējis simbionta lomu. Lai gan mitohondriji un hloroplasti attīstījās pirms miljardiem gadu, šķiet, ka slāpekļaplasti ir attīstījušies pirms aptuveni 100 miljoniem gadu, sniedzot zinātniekiem jaunu, modernāku skatījumu uz organellu veidošanos.

Organelle arī sniedz ieskatu okeāna ekosistēmās. Visiem dzīviem organismiem ir nepieciešams slāpeklis bioloģiski izmantojamā veidā, un UCYN-A ir globāli svarīgs, jo tas spēj piesaistīt slāpekli no atmosfēras. Pētnieki to ir atraduši visur, sākot no tropiem līdz Ziemeļu Ledus okeānam, un tas fiksē lielu daudzumu slāpekļa.

“Viņš nav tikai vēl viens spēlētājs,” sacīja Zērs.

Šim atklājumam ir arī potenciāls mainīt lauksaimniecību. Spēja izgatavot amonjaka mēslojumu no atmosfēras slāpekļa ļāva lauksaimniecībai un pasaules iedzīvotājiem attīstīties divdesmitā gadsimta sākumā. Šis process ir pazīstams kā Haber-Bosch process, un tas ļauj saražot aptuveni 50% no pasaules pārtikas. Tie arī rada milzīgu daudzumu oglekļa dioksīda: aptuveni 1,4% no globālajām emisijām rodas šī procesa rezultātā. Gadu desmitiem ilgi pētnieki ir mēģinājuši atklāt veidu, kā lauksaimniecībā iekļaut dabisko slāpekļa fiksāciju.

“Šī sistēma ir jauna perspektīva slāpekļa fiksācijai un var sniegt norādes par to, kā šādu organellu pārveidot kultūraugu augos,” sacīja Kols.

Taču daudzi jautājumi par UCYN-A un tā aļģu saimnieku paliek neatbildēti. Pētnieki plāno padziļināti izpētīt, kā darbojas UCYN-A un aļģes, un pētīt dažādus celmus.

Kendra Turk-Cobo, UC Santa Cruz docente, turpinās pētījumus savā jaunajā laboratorijā. Zahr sagaida, ka zinātnieki atradīs citus organismus ar līdzīgiem evolūcijas stāstiem kā UCYN-A, taču kā pirmais šāda veida atklājums ir viens no mācību grāmatām.