Biosyntes av proteiner och nukleinsyra kräver kväve men atmosfäriskt kväve är inte tillgängligt för eukaryoter för organisk syntes. Endast ett fåtal prokaryoter (t.ex cyanobakterier, klostridier, arkéer etc) har förmågan att fixera det molekylära kvävet som finns rikligt tillgängligt i atmosfär. Något kvävefixerande bakterie lever inuti eukaryota celler i symbiotisk relation som endosymbionter. Till exempel cyanobakterierna Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) är en endosymbiont av de encelliga mikroalgerna Braarudosphaera bigelowii i marina system. Sådana naturfenomen tros ha spelat en avgörande roll i utvecklingen av eukaryota cellen organeller mitokondrier och kloroplaster genom integration av endosymbiotiska bakterier till den eukaryota cellen. I en nyligen publicerad studie fann forskare att cyanobakterierna "UCYN-A” hade nära integrerat med de eukaryota mikroalgerna Braarudosphaera bigelowii och utvecklades från en endosymbiont till kvävefixerande eukaryot cellorganell som heter nitroplast. Detta gjorde mikroalger Braarudosphaera bigelowii den första kända kvävefixerande eukaryoten. Denna upptäckt har utökat funktionen för fixering av atmosfäriskt kväve från prokaryoter till eukaryoter.
Symbios, dvs organismer av olika arter som delar livsmiljö och lever tillsammans, är ett vanligt naturfenomen. Partnerna i den symbiotiska relationen kan dra nytta av varandra (mutualism), eller så kan den ena dra nytta av medan den andra förblir opåverkad (kommensalism) eller den ena drar nytta av medan den andra skadas (parasitism). Det symbiotiska förhållandet kallas endosymbios när en organism lever inuti den andra, till exempel en prokaryotisk cell som lever inuti en eukaryot cell. Den prokaryota cellen kallas i en sådan situation endosymbiont.
Endosymbios (dvs internalisering av prokaryoter av en förfäders eukaryot cell) spelade en avgörande roll i utvecklingen av mitokondrier och kloroplaster, cellorganellerna som är karakteristiska för mer komplexa eukaryota celler, vilket bidrog till spridningen av eukaryota livsformer. En aerob proteobakterie tros ha kommit in i förfäders eukaryota celler för att bli en endosymbiont vid en tidpunkt då miljön blev alltmer syrerik. Förmågan hos endosymbiont proteobacterium att använda syre för att göra energi gjorde att värdeukaryoten kunde frodas i den nya miljön medan de andra eukaryoterna dog ut på grund av negativt selektionstryck från den nya syrerika miljön. Så småningom integrerades proteobakterien med värdsystemet för att bli en mitokondrie. På liknande sätt kom några fotosynteserande cyanobakterier in i de förfäders eukaryoter för att bli endosymbiont. I sinom tid assimilerade de med det eukaryota värdsystemet för att bli kloroplaster. Eukaryoter med kloroplaster fick förmågan att fixera atmosfäriskt kol och blev autotrofer. Utvecklingen av kolfixerande eukaryoter från de förfäders eukaryoter var en vändpunkt i livets historia på jorden.
Kväve krävs för organisk syntes av proteiner och nukleinsyror, men förmågan att fixera atmosfäriskt kväve är endast begränsad till ett fåtal prokaryoter (såsom vissa cyanobakterier, klostridier, arkéer etc). Inga kända eukaryoter kan oberoende fixera atmosfäriskt kväve. Mutualistiska endosymbiotiska samband mellan kvävefixerande prokaryoter och kolfixerande eukaryoter som behöver kväve för att växa ses i naturen. Ett sådant exempel är partnerskapet mellan cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) och den encelliga mikroalgen Braarudosphaera bigelowii i marina system.
I en nyligen genomförd studie undersöktes det endosymbiotiska förhållandet mellan cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) och den encelliga mikroalgen Braarudosphaera bigelowii med hjälp av mjuk röntgentomografi. Visualisering av cellmorfologi och delning av algen avslöjade en koordinerad cellcykel där endosymbiont-cyanobakterierna delade sig jämnt på samma sätt som kloroplaster och mitokondrier i en eukaryot delar sig under celldelning. Studie av proteiner involverade i cellulära aktiviteter visade att en betydande del av dem kodades av genomet av alger. Detta inkluderade proteiner som är nödvändiga för biosyntes, celltillväxt och delning. Dessa fynd tyder på att endosymbiont-cyanobakterierna var nära integrerade med värdcellsystemet och övergick från en endosymbiont till en fullfjädrad organell i värdcellen. Som en konsekvens fick värdalgcellen förmågan att fixera atmosfäriskt kväve för syntes av proteiner och nukleinsyror som krävs för tillväxt. Den nya organellen heter nitroplast på grund av dess kvävebindande förmåga.
Detta gör de encelliga mikroalgerna Braarudosphaera bigelowii den första kvävefixerande eukaryoten. Denna utveckling kan ha konsekvenser för jordbruket och kemisk gödselindustri på lång sikt.
***
Referenser:
- Coale, TH et al. 2024. Kvävefixerande organell i en marin alg. Vetenskap. 11 april 2024. Vol 384, nummer 6692 s. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplasten: En kvävefixerande organell. VETENSKAP. 11 april 2024. Vol 384, nummer 6692. s. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
