Biosyntese af proteiner , nukleinsyre kræver kvælstof men atmosfærisk nitrogen er ikke tilgængelig for eukaryoter til organisk syntese. Kun få prokaryoter (som f.eks cyanobakterier, clostridier, archaea osv.) har evnen til at fiksere det molekylære nitrogen, der er rigeligt tilgængeligt i atmosfære. Noget nitrogen-fikserende bakterier lever inde i eukaryote celler i symbiotisk relation som endosymbionter. For eksempel cyanobakterierne Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) er en endosymbiont af de encellede mikroalger Braarudosphaera bigelowii i marine systemer. Et sådant naturfænomen menes at have spillet en afgørende rolle i udviklingen af eukaryote celle organeller mitokondrier og kloroplaster gennem integration af endosymbiotiske bakterier til den eukaryote celle. I et nyligt offentliggjort studie fandt forskerne, at cyanobakterierne "UCYN-A” var tæt integreret med de eukaryote mikroalger Braarudosphaera bigelowii og udviklede sig fra en endosymbiont til nitrogenfikserende eukaryot celleorganel ved navn nitroplast. Dette gjorde mikroalger Braarudosphaera bigelowii den første kendte nitrogenfikserende eukaryot. Denne opdagelse har udvidet funktionen af fiksering af atmosfærisk nitrogen fra prokaryoter til eukaryoter.
Symbiose, dvs. organismer af forskellige arter, der deler habitat og lever sammen, er et almindeligt naturligt fænomen. Partnerne i det symbiotiske forhold kan drage fordel af hinanden (mutualisme), eller den ene kan drage fordel, mens den anden forbliver upåvirket (kommensalisme), eller den ene drager fordel, mens den anden tager skade (parasitisme). Det symbiotiske forhold kaldes endosymbiose, når den ene organisme lever inde i den anden, for eksempel en prokaryot celle, der lever inde i en eukaryot celle. Den prokaryote celle kaldes i en sådan situation endosymbiont.
Endosymbiose (dvs. internalisering af prokaryoter af en forfædres eukaryot celle) spillede en afgørende rolle i udviklingen af mitokondrier og kloroplaster, celleorganellerne karakteristiske for mere komplekse eukaryote celler, som bidrog til spredning af eukaryote livsformer. En aerob proteobakterie menes at være kommet ind i forfædres eukaryote celle for at blive en endosymbiont på et tidspunkt, hvor miljøet i stigende grad blev iltrigt. Endosymbiont proteobakteriens evne til at bruge ilt til at lave energi gjorde det muligt for værtseukaryoten at trives i det nye miljø, mens de andre eukaryoter uddøde på grund af negativt selektionstryk påført af det nye iltrige miljø. Til sidst integrerede proteobakterien med værtssystemet for at blive en mitokondrie. På samme måde kom nogle fotosyntese-cyanobakterier ind i de forfædres eukaryoter for at blive endosymbiont. Med tiden assimilerede de sig med det eukaryote værtssystem for at blive kloroplaster. Eukaryoter med kloroplaster erhvervede evnen til at fiksere atmosfærisk kulstof og blev autotrofer. Udviklingen af carbonfikserende eukaryoter fra de forfædres eukaryoter var et vendepunkt i livets historie på jorden.
Nitrogen er påkrævet til organisk syntese af proteiner og nukleinsyrer, men evnen til at fiksere atmosfærisk nitrogen er kun begrænset til få prokaryoter (såsom nogle cyanobakterier, clostridier, archaea osv.). Ingen kendte eukaryoter kan uafhængigt fiksere atmosfærisk nitrogen. Mutualistiske endosymbiotiske forhold mellem nitrogenfikserende prokaryoter og kulstoffikserende eukaryoter, der har brug for nitrogen for at vokse, ses i naturen. Et sådant eksempel er partnerskabet mellem cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) og den encellede mikroalge Braarudosphaera bigelowii i marine systemer.
I en nylig undersøgelse blev det endosymbiotiske forhold mellem cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) og den encellede mikroalge Braarudosphaera bigelowii undersøgt ved hjælp af blød røntgentomografi. Visualisering af cellemorfologi og deling af algen afslørede en koordineret cellecyklus, hvor endosymbiont-cyanobakterierne delte sig jævnt på samme måde, som kloroplaster og mitokondrier i en eukaryot deler sig under celledeling. Undersøgelse af proteiner involveret i de cellulære aktiviteter afslørede, at en betydelig del af dem blev kodet af genomet af alger. Dette omfattede proteiner, der er essentielle for biosyntese, cellevækst og deling. Disse fund tyder på, at endosymbiont-cyanobakterierne var tæt integreret med værtscellesystemet og gik over fra en endosymbiont til en fuldgyldig organel i værtscellen. Som en konsekvens heraf erhvervede værtsalgecellen evnen til at fiksere atmosfærisk nitrogen til syntese af proteiner og nukleinsyrer, der kræves til vækst. Den nye organel er navngivet nitroplast på grund af dets nitrogenfikserende evne.
Dette gør de encellede mikroalger Braarudosphaera bigelowii den første nitrogenfikserende eukaryot.Denne udvikling kan have betydning for Landbrug og kunstgødningsindustrien på længere sigt.
***
Referencer:
- Coale, TH et al. 2024. Nitrogenfikserende organel i en marin alge. Videnskab. 11. april 2024. Bind 384, hæfte 6692 s. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplasten: En nitrogenfikserende organel. VIDENSKAB. 11. april 2024. Bind 384, hæfte 6692. s. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
