Biosyntese av proteiner og nukleinsyre krever nitrogen men atmosfærisk nitrogen er ikke tilgjengelig for eukaryoter for organisk syntese. Bare noen få prokaryoter (som f.eks cyanobakterier, klostridier, archaea etc) har evnen til å fikse det molekylære nitrogenet som er rikelig tilgjengelig i atmosfære. Noe nitrogenfikserende bakterie lever inne i eukaryote celler i symbiotisk relasjon som endosymbionter. For eksempel cyanobakteriene Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) er en endosymbiont av de encellede mikroalgene Braarudosphaera bigelowii i marine systemer. Et slikt naturfenomen antas å ha spilt en avgjørende rolle i utviklingen av eukaryote celle organeller mitokondrier og kloroplaster gjennom integrering av endosymbiotiske bakterier til den eukaryote cellen. I en nylig publisert studie fant forskere at cyanobakteriene "UCYN-A” hadde tett integrert med de eukaryote mikroalgene Braarudosphaera bigelowii og utviklet seg fra en endosymbiont til nitrogenfikserende eukaryot celleorganell kalt nitroplast. Dette laget mikroalger Braarudosphaera bigelowii den første kjente nitrogenfikserende eukaryoten. Denne oppdagelsen har utvidet funksjonen til fiksering av atmosfærisk nitrogen fra prokaryoter til eukaryoter.
Symbiose, dvs. organismer av forskjellige arter som deler habitat og lever sammen, er et vanlig naturfenomen. Partnerne i det symbiotiske forholdet kan ha nytte av hverandre (mutualisme), eller den ene kan ha nytte mens den andre forblir upåvirket (kommensalisme) eller den ene drar nytte av mens den andre blir skadet (parasittisme). Det symbiotiske forholdet kalles endosymbiose når en organisme lever inne i den andre, for eksempel en prokaryotisk celle som lever inne i en eukaryot celle. Den prokaryote cellen kalles i en slik situasjon endosymbiont.
Endosymbiose (dvs. internalisering av prokaryoter av en forfedres eukaryot celle) spilte en avgjørende rolle i utviklingen av mitokondrier og kloroplaster, celleorganellene som er karakteristiske for mer komplekse eukaryote celler, som bidro til spredning av eukaryote livsformer. En aerob proteobakterie antas å ha kommet inn i forfedrenes eukaryote celle for å bli en endosymbiont i en tid da miljøet ble stadig mer oksygenrikt. Evnen til endosymbiont proteobacterium til å bruke oksygen til å lage energi tillot vertseukaryoten å trives i det nye miljøet mens de andre eukaryotene ble utdødd på grunn av negativt seleksjonstrykk påført av det nye oksygenrike miljøet. Til slutt ble proteobakterien integrert med vertssystemet for å bli et mitokondrie. På samme måte kom noen fotosyntesende cyanobakterier inn i de forfedres eukaryoter for å bli endosymbiont. Etter hvert assimilerte de seg med det eukaryote vertssystemet for å bli kloroplaster. Eukaryoter med kloroplaster fikk evnen til å fikse atmosfærisk karbon og ble autotrofer. Evolusjon av karbonfikserende eukaryoter fra forfedres eukaryoter var et vendepunkt i livets historie på jorden.
Nitrogen er nødvendig for organisk syntese av proteiner og nukleinsyrer, men evnen til å fikse atmosfærisk nitrogen er begrenset til kun få prokaryoter (som noen cyanobakterier, clostridia, archaea osv.). Ingen kjente eukaryoter kan uavhengig fikse atmosfærisk nitrogen. Mutualistiske endosymbiotiske forhold mellom nitrogenfikserende prokaryoter og karbonfikserende eukaryoter som trenger nitrogen for å vokse, sees i naturen. Et slikt eksempel er partnerskapet mellom cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) og den encellede mikroalgen Braarudosphaera bigelowii i marine systemer.
I en fersk studie ble det endosymbiotiske forholdet mellom cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) og den encellede mikroalgen Braarudosphaera bigelowii undersøkt ved bruk av myk røntgentomografi. Visualisering av cellemorfologi og deling av algen avslørte en koordinert cellesyklus der endosymbiont-cyanobakteriene delte seg jevnt på samme måte som kloroplaster og mitokondrier i en eukaryot deler seg under celledelingen. Studier av proteiner involvert i cellulære aktiviteter viste at en betydelig del av dem ble kodet av genomet til alger. Dette inkluderte proteiner som er essensielle for biosyntese, cellevekst og deling. Disse funnene tyder på at endosymbiont-cyanobakteriene var tett integrert med vertscellesystemet og gikk over fra en endosymbiont til en fullverdig organell i vertscellen. Som en konsekvens fikk vertsalgecellen evnen til å fiksere atmosfærisk nitrogen for syntese av proteiner og nukleinsyrer som kreves for vekst. Den nye organellen er navngitt nitroplast på grunn av dens nitrogenfikserende evne.
Dette gjør de encellede mikroalgene Braarudosphaera bigelowii den første nitrogenfikserende eukaryoten. Denne utviklingen kan ha implikasjoner for landbruk og kjemisk gjødselindustri på sikt.
***
Referanser:
- Coale, TH et al. 2024. Nitrogenfikserende organell i en marin alge. Vitenskap. 11. april 2024. Vol 384, utgave 6692 s. 217-222. GJØR JEG: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplasten: En nitrogenfikserende organell. VITENSKAP. 11. april 2024. Vol 384, utgave 6692. s. 160-161. GJØR JEG: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
