Biosyntéza proteíny a nukleová kyselina vyžadovať dusík atmosférický dusík však nie je dostupný eukaryota pre organickú syntézu. Len málo prokaryotov (ako napr sinice, klostrídií, archea atď.) majú schopnosť fixovať molekulárny dusík hojne dostupný v atmosféra. Nejaká fixácia dusíka baktérie žijú vo vnútri eukaryotických buniek v symbiotickom vzťahu ako endosymbionty. Napríklad cyanobaktérie Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) je endosymbiont z jednobunkových mikrorias Braarudosphaera bigelowii v námorných systémoch. Predpokladá sa, že takýto prírodný fenomén zohral kľúčovú úlohu vo vývoji eukaryotov bunka organely mitochondrie a chloroplasty prostredníctvom integrácie endosymbiotických baktérií do eukaryotickej bunky. V nedávno zverejnenej štúdii vedci zistili, že cyanobaktérie „UCYN-Asa úzko integroval s eukaryotickými mikroriasami Braarudosphaera bigelowii a vyvinula sa z endosymbionta na eukaryotickú bunkovú organelu viažucu dusík s názvom nitroplast. Vznikli tak mikroriasy Braarudosphaera bigelowii prvé známe eukaryoty viažuce dusík. Tento objav rozšíril funkciu fixácie atmosférického dusíka z prokaryotov na eukaryoty.
Symbióza, tj organizmy rôznych druhov, ktoré zdieľajú biotop a žijú spolu, je bežným prírodným javom. Partneri v symbiotickom vzťahu môžu mať úžitok jeden od druhého (mutualizmus), alebo jeden môže mať prospech, kým druhý zostane nedotknutý (komenzalizmus), alebo jeden profituje, kým druhý je poškodený (parazitizmus). Symbiotický vzťah sa nazýva endosymbióza, keď jeden organizmus žije vo vnútri druhého, napríklad prokaryotická bunka žijúca vo vnútri eukaryotickej bunky. Prokaryotická bunka sa v takejto situácii nazýva endosymbiont.
Endosymbióza (tj internalizácia prokaryotov eukaryotickou bunkou predkov) zohrala kľúčovú úlohu vo vývoji mitochondrií a chloroplastov, bunkových organel charakteristických pre zložitejšie eukaryotické bunky, ktoré prispeli k proliferácii eukaryotických foriem života. Predpokladá sa, že aeróbna proteobaktéria vstúpila do eukaryotickej bunky predkov, aby sa stala endosymbiontom v čase, keď bolo prostredie čoraz bohatšie na kyslík. Schopnosť endosymbiontných proteobaktérií využívať kyslík na výrobu energie umožnila hostiteľskému eukaryotu prosperovať v novom prostredí, zatiaľ čo ostatné eukaryoty vyhynuli v dôsledku negatívneho selekčného tlaku vyvolaného novým prostredím bohatým na kyslík. Nakoniec sa proteobaktéria integrovala s hostiteľským systémom a stala sa mitochondriou. Podobne niektoré fotosyntetizujúce cyanobaktérie vstúpili do eukaryotov predkov, aby sa stali endosymbiontmi. V pravý čas sa asimilovali s eukaryotickým hostiteľským systémom a stali sa chloroplastmi. Eukaryoty s chloroplastmi získali schopnosť fixovať atmosférický uhlík a stali sa autotrofmi. Evolúcia eukaryot fixujúcich uhlík z eukaryot predkov bola zlomovým bodom v histórii života na Zemi.
Dusík je potrebný pre organickú syntézu proteínov a nukleových kyselín, avšak schopnosť fixovať atmosférický dusík je obmedzená len na niekoľko prokaryotov (ako sú niektoré sinice, klostrídie, archaea atď.). Žiadne známe eukaryoty nemôžu nezávisle fixovať atmosférický dusík. V prírode sú viditeľné vzájomné endosymbiotické vzťahy medzi prokaryotmi fixujúcimi dusík a eukaryotmi fixujúcimi uhlík, ktoré potrebujú dusík na svoj rast. Jedným z takýchto príkladov je partnerstvo medzi cyanobaktériami Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) a jednobunkovými mikroriasami Braarudosphaera bigelowii v morských systémoch.
V nedávnej štúdii sa skúmal endosymbiotický vzťah medzi cyanobaktériami Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) a jednobunkovými mikroriasami Braarudosphaera bigelowii pomocou mäkkej röntgenovej tomografie. Vizualizácia bunkovej morfológie a delenia rias odhalila koordinovaný bunkový cyklus, v ktorom sa endosymbiontné cyanobaktérie delili rovnomerne tak, ako sa delia chloroplasty a mitochondrie v eukaryote počas delenia buniek. Štúdium proteínov zapojených do bunkových aktivít odhalilo, že značná časť z nich bola kódovaná genómom rias. To zahŕňalo proteíny nevyhnutné pre biosyntézu, rast buniek a delenie. Tieto zistenia naznačujú, že endosymbiontné cyanobaktérie sa úzko integrovali s hostiteľským bunkovým systémom a prešli z endosymbionta na plnohodnotnú organelu hostiteľskej bunky. V dôsledku toho bunka hostiteľskej riasy získala schopnosť fixovať atmosférický dusík na syntézu proteínov a nukleových kyselín potrebných na rast. Nová organela je pomenovaná nitroplast kvôli svojej schopnosti viazať dusík.
To vytvára jednobunkové mikroriasy Braarudosphaera bigelowii prvé eukaryoty viažuce dusík.Tento vývoj môže mať dôsledky pre poľnohospodárstva a priemysel chemických hnojív z dlhodobého hľadiska.
***
Referencie:
- Coale, TH et al. 2024. Organela viažuca dusík v morskej riase. Veda. 11. apríla 2024. Zväzok 384, číslo 6692, s. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplast: organela viažuca dusík. VEDA. 11. apríla 2024. zväzok 384, vydanie 6692. s. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
