Ученые обнаружили первую азотфиксирующую органеллу

Современные учебники биологии утверждают, что только бактерии способны забирать азот из атмосферы и переводить его в пригодную для жизни форму. Растения, которые фиксируют азот, такие как бобовые, делают это, укрывая симбиотические бактерии в своих корневых клубеньках. Но последнее открытие переворачивает это правило с ног на голову.

В двух недавних работах международная группа ученых описывает первую известную азотфиксирующую органеллу внутри эукариотической клетки. Органелла — четвертый пример в истории первичного эндосимбиоза — процесса, в ходе которого прокариотическая клетка поглощается эукариотической клеткой и развивается за пределы симбиоза в органеллу.

«Очень редко органеллы возникают в результате такого рода вещей», — сказал Тайлер Коул, постдокторант из Калифорнийского университета в Санта-Крус и первый автор одной из двух недавних статей. «Когда мы впервые подумали, что это произошло, оно дало начало всем сложным формам жизни. Все, что сложнее бактериальной клетки, обязано своим существованием этому событию», — сказал он, имея в виду происхождение митохондрий. «Примерно миллиард лет назад то же самое произошло с хлоропластами и дало нам растения», — сказал Коул.

Третий хорошо известный пример связан с хлоропластоподобным микробом. Последнее открытие — первый пример азотфиксирующей органеллы, которую исследователи называют нитропластом.

Загадка многолетней давности

Открытие органеллы потребовало немного удачи и десятилетий работы. В 1998 году Джонатан Зар, ​​выдающийся профессор морских наук в Калифорнийском университете в Санта-Крус, обнаружил в морской воде Тихого океана короткую последовательность ДНК неизвестной азотфиксирующей цианобактерии. Зар и его коллеги потратили годы на изучение загадочного объекта, который они назвали UCYN-A.

Тем временем Кёко Хагино, палеонтолог из Университета Коти в Японии, активно пыталась культивировать морские водоросли. Оказалось, что это организм-хозяин UCYN-A. Потребовалось более 300 экспедиций по отбору проб и более десяти лет, но Хагино в конечном итоге преуспел в выращивании водорослей в культуре, что позволило другим исследователям начать совместное изучение UCYN-A и его морских водорослей-хозяев в лаборатории.

Многие годы ученые считали UCYN-A эндосимбионтом, тесно связанным с водорослями. Но две недавние статьи предполагают, что UCYN-A эволюционировал совместно со своим бывшим симбиотическим хозяином и теперь соответствует критериям органеллы.

Органическое происхождение

В статье, опубликованной в клетка В марте 2024 года Зар и его коллеги из Массачусетского технологического института, Института наук Барселоны и Университета Род-Айленда показали, что соотношение объемов между UCYN-A и их водорослями-хозяевами одинаково для разных видов морских эвфитных водорослей. Прародосфера бигелой.

Исследователи используют модель, чтобы продемонстрировать, что рост клеток-хозяев и UCYN-A контролируются обменом питательных веществ. Их метаболические процессы родственны. Эта синхронизация темпов роста побудила исследователей назвать UCYN-A «органеллоподобным».

«Именно это происходит с органеллами», — сказал Зар. «Если вы посмотрите на митохондрии и хлоропласты, то увидите одно и то же: они расширяются вместе с клеткой».

Но ученые не называли UCYN-A органеллой с уверенностью, пока не подтвердили другие доказательства. в Статья на обложке Из журнала Науки, опубликованный сегодня, включает Зара, Куэлли, Кендру Тёрк Кубо, Винг-Кван Эстер Мак из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, а также сотрудников из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Национального тайваньского университета океана и Кочи. Университет в Японии. UCYN-A импортирует белки из клеток-хозяев.

«Это один из признаков перехода от эндосимбионта к органелле», — сказал Зар. «Они начинают избавляться от фрагментов ДНК, их геном становится все меньше и меньше, и они начинают полагаться на материнскую клетку, которая перенесет эти генные продукты — или сам белок — в клетку».

Коул работал над белками для изучения. Он сравнил белки, обнаруженные в изолированном UCYN-A, с белками, обнаруженными во всей клетке-хозяине водоросли. Он обнаружил, что клетка-хозяин вырабатывает белки и маркирует их определенной аминокислотной последовательностью, которая сообщает клетке, что нужно отправить их в нитропласт. Затем нитробласт импортирует и использует белки. Коул определил функцию некоторых белков, которые заполняют пробелы в определенных путях UCYN-A.

«Это что-то вроде волшебной головоломки, которая складывается и работает вместе», — сказал Зар.

В той же статье исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско показали, что UCYN-A реплицируется вместе с клеткой водоросли и наследуется, как и другие органеллы.

Изменить точку зрения

Эти независимые доказательства не оставляют сомнений в том, что UCYN-A превзошел роль симбионта. В то время как митохондрии и хлоропласты возникли миллиарды лет назад, азотопласты, по-видимому, появились около 100 миллионов лет назад, что дает ученым новый, более современный взгляд на формирование органелл.

Органелла также дает представление об экосистемах океана. Всем живым организмам необходим азот в биологически пригодной форме, и UCYN-A имеет глобальное значение благодаря своей способности фиксировать азот из атмосферы. Исследователи нашли его повсюду от тропиков до Северного Ледовитого океана, и он фиксирует большое количество азота.

«Он не просто еще один игрок», — сказал Зер.

Это открытие также может изменить сельское хозяйство. Возможность производить аммиачные удобрения из атмосферного азота позволила сельскому хозяйству и населению мира добиться успеха в начале двадцатого века. Этот процесс известен как процесс Габера-Боша, и он позволяет производить около 50% продуктов питания в мире. Они также производят огромное количество углекислого газа: около 1,4% мировых выбросов приходится на этот процесс. На протяжении десятилетий исследователи пытались найти способ использовать естественную фиксацию азота в сельском хозяйстве.

«Эта система представляет собой новый взгляд на фиксацию азота и может дать подсказку о том, как внедрить такую ​​органеллу в сельскохозяйственные растения», — сказал Коул.

Но многие вопросы о UCYN-A и его водорослях-хозяевах остаются без ответа. Исследователи планируют глубже разобраться в том, как работают UCYN-A и водоросли, и изучить различные штаммы.

Кендра Терк-Кобо, доцент Калифорнийского университета в Санта-Крус, продолжит исследования в своей новой лаборатории. Зар ожидает, что ученые найдут и другие организмы с историей эволюции, похожей на UCYN-A, но, поскольку это открытие является первым в своем роде, оно должно войти в учебники.