Biosyntéza Proteinů a nukleová kyselina vyžadovat dusík atmosférický dusík však není dostupný eukaryoty pro organickou syntézu. Jen málo prokaryot (jako např sinice, klostridie, archaea atd.) mají schopnost fixovat molekulární dusík, který je v něm hojně dostupný atmosféra. Nějaká fixace dusíku bakterie žijí uvnitř eukaryotických buněk v symbiotickém vztahu jako endosymbionti. Například sinice Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) je endosymbiont z jednobuněčných mikrořas Braarudosphaera bigelowii v mořských systémech. Předpokládá se, že takový přírodní jev sehrál klíčovou roli v evoluci eukaryot buňka organely mitochondrie a chloroplasty prostřednictvím integrace endosymbiotických bakterií do eukaryotické buňky. V nedávno zveřejněné studii vědci zjistili, že sinice „UCYN-Ase úzce integroval s eukaryotickými mikrořasami Braarudosphaera bigelowii a vyvinul se z endosymbionta na dusík fixující eukaryotické buněčné organely zvané nitroplast. Tím vznikly mikrořasy Braarudosphaera bigelowii první známé eukaryoty fixující dusík. Tento objev rozšířil funkci fixace atmosférického dusíku z prokaryot na eukaryota.
Symbióza, tj. organismy různých druhů, které sdílejí stanoviště a žijí společně, je běžným přírodním jevem. Partneři v symbiotickém vztahu mohou mít prospěch jeden od druhého (mutualismus), nebo jeden může mít prospěch, zatímco druhý zůstane nedotčen (komenzalismus) nebo jeden má prospěch, zatímco druhý je poškozen (parazitismus). Symbiotický vztah se nazývá endosymbióza, když jeden organismus žije uvnitř druhého, například prokaryotická buňka žijící uvnitř eukaryotické buňky. Prokaryotická buňka se v takové situaci nazývá endosymbiont.
Endosymbióza (tj. internalizace prokaryot předků eukaryotickou buňkou) hrála klíčovou roli v evoluci mitochondrií a chloroplastů, buněčných organel charakteristických pro složitější eukaryotické buňky, které přispěly k proliferaci eukaryotických forem života. Předpokládá se, že aerobní proteobakterie vstoupily do eukaryotické buňky předků, aby se staly endosymbiontem v době, kdy bylo prostředí stále více bohatší na kyslík. Schopnost endosymbiontních proteobakterií využívat kyslík k výrobě energie umožnila hostitelskému eukaryotu prospívat v novém prostředí, zatímco ostatní eukaryota vyhynula kvůli negativnímu selekčnímu tlaku vyvolanému novým prostředím bohatým na kyslík. Nakonec se proteobakterium integrovalo s hostitelským systémem a stalo se mitochondrií. Podobně některé fotosyntetizující sinice vstoupily do eukaryot předků, aby se staly endosymbionty. V pravý čas se asimilovaly s eukaryotickým hostitelským systémem a staly se chloroplasty. Eukaryota s chloroplasty získala schopnost fixovat atmosférický uhlík a stala se autotrofy. Evoluce eukaryot fixujících uhlík z eukaryot předků byla zlomovým bodem v historii života na Zemi.
Dusík je nutný pro organickou syntézu proteinů a nukleových kyselin, ale schopnost fixovat atmosférický dusík je omezena pouze na několik prokaryot (jako jsou některé sinice, klostridie, archaea atd.). Žádná známá eukaryota nemohou nezávisle fixovat atmosférický dusík. V přírodě jsou vidět vzájemné endosymbiotické vztahy mezi prokaryoty fixujícími dusík a eukaryoty fixujícími uhlík, které potřebují dusík k růstu. Jedním takovým příkladem je partnerství mezi sinicí Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) a jednobuněčnou mikrořasou Braarudosphaera bigelowii v mořských systémech.
V nedávné studii byl zkoumán endosymbiotický vztah mezi sinicemi Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) a jednobuněčnou mikrořasou Braarudosphaera bigelowii pomocí měkké rentgenové tomografie. Vizualizace buněčné morfologie a dělení řasy odhalila koordinovaný buněčný cyklus, ve kterém se endosymbiontní sinice rozdělovaly rovnoměrně stejně jako chloroplasty a mitochondrie v eukaryotu během buněčného dělení. Studium proteinů zapojených do buněčných aktivit odhalilo, že značná část z nich byla kódována genomem řas. To zahrnovalo proteiny nezbytné pro biosyntézu, buněčný růst a dělení. Tato zjištění naznačují, že endosymbiontní sinice se úzce integrovaly s hostitelským buněčným systémem a přešly z endosymbionta na plnohodnotnou organelu hostitelské buňky. V důsledku toho hostitelská řasová buňka získala schopnost fixovat atmosférický dusík pro syntézu proteinů a nukleových kyselin potřebných pro růst. Nová organela je pojmenována nitroplast díky své schopnosti vázat dusík.
To vytváří jednobuněčné mikrořasy Braarudosphaera bigelowii první eukaryote vázající dusík. Tento vývoj může mít důsledky pro zemědělství a průmysl chemických hnojiv v dlouhodobém horizontu.
***
Reference:
- Coale, TH et al. 2024. Organela fixující dusík v mořské řase. Věda. 11. dubna 2024. svazek 384, vydání 6692, s. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplast: organela vázající dusík. VĚDA. 11. dubna 2024. Vol 384, Issue 6692. S. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
