Bioszintézise fehérjék és a nukleinsav szükség nitrogén a légköri nitrogén azonban nem áll rendelkezésre eukarióták szerves szintézishez. Csak néhány prokarióta (pl cianobaktériumok, clostridiumokhoz, archaea stb.) képesek megkötni a bőségesen elérhető molekuláris nitrogént légkör. Némi nitrogénmegkötő baktériumok Az eukarióta sejtekben szimbiotikus kapcsolatban élnek endoszimbiontákként. Például a cianobaktériumok Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) az egysejtű mikroalgák endoszimbiontája Braarudosphaera bigelowii tengeri rendszerekben. Úgy gondolják, hogy ez a természeti jelenség döntő szerepet játszott az eukarióta evolúciójában sejt a mitokondriumok és a kloroplasztiszok organellák endoszimbiotikus baktériumok integrációja révén az eukarióta sejtbe. Egy nemrég közzétett tanulmányban a kutatók azt találták, hogy a cianobaktériumokUCYN-A” szorosan integrálódott az eukarióta mikroalgákkal Braarudosphaera bigelowii és endoszimbiontából nitrogénmegkötő eukarióta sejtszervszervvé fejlődött, amelyet nitroplasztnak neveztek el. Ebből mikroalgák keletkeztek Braarudosphaera bigelowii az első ismert nitrogénmegkötő eukarióta. Ez a felfedezés kiterjesztette a légköri nitrogén rögzítésének funkcióját a prokariótákról az eukariótákra.
A szimbiózis, azaz a különböző fajok élőlényeinek közös élőhelye és együttélése gyakori természeti jelenség. A szimbiotikus kapcsolatban élõ partnerek hasznot húzhatnak egymásból (mutalizmus), vagy az egyik hasznot húzhat, míg a másik nem érinti (kommenzalizmus), vagy az egyik hasznot húz, míg a másikat sérelem éri (parazitizmus). A szimbiotikus kapcsolatot endoszimbiózisnak nevezik, amikor az egyik szervezet a másikban él, például egy prokarióta sejt, amely egy eukarióta sejtben él. A prokarióta sejtet ilyen helyzetben endoszimbiontnak nevezzük.
Az endoszimbiózis (azaz a prokarióták internalizálása egy ősi eukarióta sejt által) döntő szerepet játszott a komplexebb eukarióta sejtekre jellemző sejtszervecskék, a mitokondriumok és kloroplasztiszok evolúciójában, amelyek hozzájárultak az eukarióta életformák proliferációjához. Feltételezik, hogy egy aerob proteobaktérium bejutott az ősi eukarióta sejtbe, hogy endoszimbiontává váljon abban az időben, amikor a környezet egyre oxigéndúsabbá vált. Az endoszimbionta proteobaktérium azon képessége, hogy oxigént használjon fel energia előállítására, lehetővé tette a gazdaszervezet eukarióta számára, hogy boldoguljon az új környezetben, míg a többi eukarióta kihalt az új oxigénben gazdag környezet által kifejtett negatív szelekciós nyomás miatt. Végül a proteobaktérium integrálódott a gazdarendszerbe, és mitokondriummá alakult. Hasonlóképpen, néhány fotoszintetizáló cianobaktérium bejutott az ősi eukariótákba, hogy endoszimbiontává váljanak. Idővel asszimilálódtak az eukarióta gazdarendszerrel, és kloroplasztiszokká váltak. A kloroplasztiszokkal rendelkező eukarióták megszerezték a légköri szén megkötésének képességét, és autotrófokká váltak. A szénmegkötő eukarióták kifejlődése az ősi eukariótákból fordulópont volt a földi élet történetében.
A nitrogén szükséges a fehérjék és nukleinsavak szerves szintéziséhez, azonban a légköri nitrogén megkötésének képessége csak néhány prokarióta (például néhány cianobaktérium, klostridium, archaea stb.) számára korlátozott. Egyetlen ismert eukarióta sem képes önállóan megkötni a légköri nitrogént. A természetben megfigyelhető a nitrogénkötő prokarióták és a szénmegkötő eukarióták közötti kölcsönös endoszimbiotikus kapcsolatok, amelyeknek nitrogénre van szükségük a növekedéshez. Az egyik ilyen példa a Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) cianobaktérium és a Braarudosphaera bigelowii egysejtű mikroalgák közötti partnerség a tengeri rendszerekben.
Egy nemrégiben készült tanulmányban lágy röntgen-tomográfiával vizsgálták a Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) cianobaktérium és az egysejtű, Braarudosphaera bigelowii mikroalgák közötti endoszimbiotikus kapcsolatot. A sejtek morfológiájának és az algák osztódásának vizualizálása olyan összehangolt sejtciklust mutatott ki, amelyben az endoszimbionta cianobaktériumok egyenletesen oszlottak el, éppen úgy, ahogy az eukarióta kloroplasztiszai és mitokondriumai osztódnak a sejtosztódás során. A sejtaktivitásokban részt vevő fehérjék vizsgálata során kiderült, hogy ezek jelentős részét az algák genomja kódolja. Ez magában foglalta a bioszintézishez, a sejtnövekedéshez és az osztódáshoz nélkülözhetetlen fehérjéket. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy az endoszimbionta cianobaktériumok szorosan integrálódtak a gazdasejtrendszerbe, és endoszimbiontából a gazdasejt teljes értékű organellumává váltak. Ennek eredményeként a gazda alga sejt képessé vált a légköri nitrogén megkötésére a növekedéshez szükséges fehérjék és nukleinsavak szintéziséhez. Az új organellum a neve nitroplaszt nitrogénmegkötő képessége miatt.
Ez teszi az egysejtű mikroalgákat Braarudosphaera bigelowii az első nitrogénmegkötő eukarióta.Ennek a fejlődésnek következményei lehetnek mezőgazdaság és a műtrágyaipar hosszú távon.
***
Referenciák:
- Coale, TH és mtsai. 2024. Nitrogénmegkötő organellum egy tengeri algában. Tudomány. 11. április 2024., 384. évf., 6692. szám, 217–222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. A nitroplaszt: nitrogénmegkötő organellum. TUDOMÁNY. 11. április 2024., 384. évf., 6692. szám. 160–161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
