Βιοσύνθεση του πρωτεΐνες και νουκλεϊκό οξύ απαιτούν άζωτο Ωστόσο, το ατμοσφαιρικό άζωτο δεν είναι διαθέσιμο ευκαρυωτικά για οργανική σύνθεση. Μόνο λίγοι προκαρυώτες (όπως π.χ κυανοβακτήρια, κλοστρίδια, αρχαία κ.λπ.) έχουν την ικανότητα να σταθεροποιούν το μοριακό άζωτο που είναι άφθονα διαθέσιμο στο ατμόσφαιρα. Λίγη δέσμευση αζώτου βακτήρια ζουν μέσα σε ευκαρυωτικά κύτταρα σε συμβιωτική σχέση ως ενδοσυμβίωση. Για παράδειγμα, τα κυανοβακτήρια Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) είναι ένα ενδοσύμβιωμα των μονοκύτταρων μικροφυκών Braarudosphaera bigelowii σε θαλάσσια συστήματα. Ένα τέτοιο φυσικό φαινόμενο θεωρείται ότι έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην εξέλιξη των ευκαρυωτικών κύτταρο οργανίδια μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες μέσω ενσωμάτωσης ενδοσυμβιωτικών βακτηρίων στο ευκαρυωτικό κύτταρο. Σε μια πρόσφατα δημοσιευμένη μελέτη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα κυανοβακτήρια «UCYN-Aείχε ενσωματωθεί στενά με τα ευκαρυωτικά μικροφύκη Braarudosphaera bigelowii και εξελίχθηκε από ένα ενδοσυμβίον σε οργανίδιο ευκαρυωτικού κυττάρου που δεσμεύει το άζωτο που ονομάζεται nitroplast. Αυτό έκανε μικροφύκη Braarudosphaera bigelowii ο πρώτος γνωστός ευκαρυώτης που δεσμεύει το άζωτο. Αυτή η ανακάλυψη έχει επεκτείνει τη λειτουργία δέσμευσης του ατμοσφαιρικού αζώτου από προκαρυώτες σε ευκαρυώτες.
Η συμβίωση, δηλαδή, οργανισμοί διαφορετικών ειδών που μοιράζονται ενδιαιτήματα και ζουν μαζί, είναι ένα κοινό φυσικό φαινόμενο. Οι σύντροφοι στη συμβιωτική σχέση μπορεί να ωφεληθούν ο ένας από τον άλλο (αμοιβαιότητα), ή ο ένας μπορεί να ωφεληθεί ενώ ο άλλος να παραμείνει ανεπηρέαστος (κομμενσαλισμός) ή ο ένας να ωφεληθεί ενώ ο άλλος να ζημιωθεί (παρασιτισμός). Η συμβιωτική σχέση ονομάζεται ενδοσυμβίωση όταν ένας οργανισμός ζει μέσα στον άλλο, για παράδειγμα, ένα προκαρυωτικό κύτταρο που ζει μέσα σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο. Το προκαρυωτικό κύτταρο, σε μια τέτοια κατάσταση, ονομάζεται ενδοσύμβιον.
Η ενδοσυμβίωση (δηλαδή η εσωτερίκευση των προκαρυωτικών από ένα προγονικό ευκαρυωτικό κύτταρο) έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην εξέλιξη των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, των κυττάρων-οργανιδίων που είναι χαρακτηριστικά πιο πολύπλοκων ευκαρυωτικών κυττάρων, τα οποία συνέβαλαν στον πολλαπλασιασμό των ευκαρυωτικών μορφών ζωής. Ένα αερόβιο πρωτεοβακτήριο πιστεύεται ότι εισήλθε στο προγονικό ευκαρυωτικό κύτταρο για να γίνει ενδοσύμβιος σε μια εποχή που το περιβάλλον γινόταν όλο και περισσότερο πλούσιο σε οξυγόνο. Η ικανότητα του ενδοσυμβιωτικού πρωτεοβακτηρίου να χρησιμοποιεί οξυγόνο για να παράγει ενέργεια επέτρεψε στον ευκαρυωτικό ξενιστή να ευδοκιμήσει στο νέο περιβάλλον, ενώ οι άλλοι ευκαρυώτες εξαφανίστηκαν λόγω της αρνητικής πίεσης επιλογής που επιβλήθηκε από το νέο πλούσιο σε οξυγόνο περιβάλλον. Τελικά, το πρωτεοβακτήριο ενσωματώθηκε στο σύστημα ξενιστή για να γίνει μιτοχόνδριο. Ομοίως, μερικά κυανοβακτήρια που συνθέτουν φωτοσύνθεση εισήλθαν στους προγονικούς ευκαρυώτες για να γίνουν ενδοσύμβιοι. Σε εύθετο χρόνο, αφομοιώθηκαν με το ευκαρυωτικό σύστημα ξενιστή για να γίνουν χλωροπλάστες. Οι ευκαρυώτες με χλωροπλάστες απέκτησαν την ικανότητα να σταθεροποιούν τον ατμοσφαιρικό άνθρακα και έγιναν αυτότροφοι. Η εξέλιξη των ευκαρυωτών που δεσμεύουν τον άνθρακα από τους προγονικούς ευκαρυώτες ήταν ένα σημείο καμπής στην ιστορία της ζωής στη γη.
Το άζωτο απαιτείται για την οργανική σύνθεση πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων, ωστόσο η ικανότητα σταθεροποίησης του ατμοσφαιρικού αζώτου περιορίζεται μόνο σε λίγα προκαρυωτικά (όπως ορισμένα κυανοβακτήρια, κλωστρίδια, αρχαία κ.λπ.). Κανένας γνωστός ευκαρυώτης δεν μπορεί να σταθεροποιήσει ανεξάρτητα το ατμοσφαιρικό άζωτο. Οι αμοιβαίες ενδοσυμβιωτικές σχέσεις μεταξύ των προκαρυωτών που δεσμεύουν το άζωτο και των ευκαρυωτών που δεσμεύουν τον άνθρακα που χρειάζονται άζωτο για να αναπτυχθούν φαίνονται στη φύση. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η συνεργασία μεταξύ του κυανοβακτηρίου Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) και των μονοκύτταρων μικροφυκών Braarudosphaera bigelowii σε θαλάσσια συστήματα.
Σε μια πρόσφατη μελέτη, η ενδοσυμβιωτική σχέση μεταξύ του κυανοβακτηρίου Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) και των μονοκύτταρων μικροφυκών Braarudosphaera bigelowii διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας μαλακή τομογραφία ακτίνων Χ. Η οπτικοποίηση της μορφολογίας των κυττάρων και η διαίρεση του φυκιού αποκάλυψε έναν συντονισμένο κυτταρικό κύκλο στον οποίο τα κυανοβακτήρια διαιρούνται ομοιόμορφα με τον τρόπο που διαιρούνται οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια σε ένα ευκαρυωτικό κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης. Η μελέτη των πρωτεϊνών που εμπλέκονται στις κυτταρικές δραστηριότητες αποκάλυψε ότι ένα σημαντικό κλάσμα αυτών κωδικοποιούνταν από το γονιδίωμα των φυκών. Αυτό περιελάμβανε πρωτεΐνες απαραίτητες για τη βιοσύνθεση, την ανάπτυξη των κυττάρων και τη διαίρεση. Αυτά τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι τα κυανοβακτήρια ενδοσυμβίωσης είχαν ενσωματωθεί στενά με το κυτταρικό σύστημα του ξενιστή και μεταπήδησαν από ένα ενδοσυμβίωτο σε ένα πλήρες οργανίδιο του κυττάρου ξενιστή. Ως συνέπεια, το κύτταρο φυκών-ξενιστή απέκτησε την ικανότητα να σταθεροποιεί το ατμοσφαιρικό άζωτο για τη σύνθεση των πρωτεϊνών και των νουκλεϊκών οξέων που απαιτούνται για την ανάπτυξη. Το νέο οργανίδιο ονομάζεται νιτροπλάστη λόγω της ικανότητάς του να δεσμεύει το άζωτο.
Αυτό κάνει τα μονοκύτταρα μικροφύκη Braarudosphaera bigelowii ο πρώτος ευκαρυώτης που δεσμεύει το άζωτο. Αυτή η εξέλιξη μπορεί να έχει επιπτώσεις για γεωργία και τη βιομηχανία χημικών λιπασμάτων μακροπρόθεσμα.
***
αναφορές:
- Coale, TH et αϊ. 2024. Αζωτοδεσμευτικό οργανίδιο σε θαλάσσιο φύκι. Επιστήμη. 11 Απρ 2024. Τόμος 384, Τεύχος 6692 σελ. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle. ΕΠΙΣΤΗΜΗ. 11 Απριλίου 2024. Τόμος 384, Τεύχος 6692. σελ. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
