Учёные открыли первую азотфиксирующую органеллу
Современные учебники биологии утверждают, что только бактерии могут усваивать азот из атмосферы и преобразовывать его в форму, пригодную для жизни. Однако недавнее открытие опровергает это правило.
Международная команда учёных описала первую известную азотфиксирующую органеллу в эукариотической клетке. Эта органелла — четвёртый пример в истории первичного эндосимбиоза, процесса, при котором прокариотическая клетка поглощается эукариотической и эволюционирует за пределы симбиоза в органеллу.
"Возникновение органелл таким путём — большая редкость", — отметил Тайлер Коул, первый автор одной из двух статей. Первый такой случай привёл к появлению всей сложной жизни (митохондрии), второй — к возникновению растений (хлоропласты). Третий известный пример связан с микробом, похожим на хлоропласт. Новое открытие — первый пример азотфиксирующей органеллы, которую исследователи назвали нитропластом.
Разгадка многолетней тайны
Открытие началось в 1998 году, когда профессор Джонатан Зер обнаружил в воде Тихого океана короткую последовательность ДНК неизвестной азотфиксирующей цианобактерии, названной UCYN-A. Параллельно палеонтолог Кёко Хагино смогла культивировать морскую водоросль, которая оказалась организмом-хозяином для UCYN-A. На это ушло более 300 экспедиций и десятилетие работы.
Долгое время UCYN-A считали эндосимбионтом, тесно связанным с водорослью. Но две новые работы показывают, что UCYN-A прошла совместную эволюцию с хозяином, выйдя за рамки симбиоза, и теперь соответствует критериям органеллы.
Происхождение органеллы
В статье в журнале Cell (март 2024) исследователи показали, что соотношение размеров UCYN-A и клеток водоросли-хозяина (вида Braarudosphaera bigelowii) одинаково у разных видов. Модель демонстрирует, что рост клетки-хозяина и UCYN-A контролируется обменом питательными веществами, то есть их метаболизм связан. Эта синхронизация темпов роста позволила учёным охарактеризовать UCYN-A как "органеллоподобную" структуру.
"Именно это происходит с органеллами. Митохондрии и хлоропласты ведут себя так же: они масштабируются вместе с клеткой", — пояснил Зер.
Окончательно подтвердить статус органеллы помогло исследование, опубликованное на обложке журнала Science. Учёные установили, что UCYN-A импортирует белки из клеток-хозяев.
"Это один из признаков превращения эндосимбионта в органеллу. Они начинают избавляться от частей ДНК, их геномы уменьшаются, и они начинают зависеть от материнской клетки в получении этих генетических продуктов", — сказал Зер.
Тайлер Коул, работавший с протеомикой, обнаружил, что клетка-хозяин производит белки с определённой аминокислотной меткой, которая направляет их в нитропласт. Нитропласт импортирует эти белки и использует их. Некоторые из этих белков восполняют пробелы в метаболических путях UCYN-A.
Кроме того, исследователи из UCSF показали, что UCYN-A реплицируется синхронно с клеткой водоросли и наследуется, как другие органеллы.
Изменение представлений
Эти независимые линии доказательств не оставляют сомнений, что UCYN-A перешла роль симбионта. В то время как митохондрии и хлоропласты эволюционировали миллиарды лет назад, нитропласт, по-видимому, появился около 100 миллионов лет назад. Это даёт учёным новую, более современную перспективу для изучения органеллогенеза.
Открытие также важно для понимания морских экосистем. UCYN-A имеет глобальное значение для фиксации атмосферного азота. Её находят повсеместно — от тропиков до Северного Ледовитого океана, и она фиксирует значительное количество азота.
Органелла может изменить и сельское хозяйство. Процесс Габера-Боша, позволяющий производить аммиачные удобрения из атмосферного азота, обеспечивает около 50% мирового производства продуктов питания, но ответственен за 1,4% глобальных выбросов CO2~. Десятилетиями учёные искали способ внедрить естественную фиксацию азота в сельское хозяйство.
"Эта система предлагает новый взгляд на фиксацию азота и может дать подсказки, как такую органеллу можно было бы сконструировать в культурных растениях", — сказал Коул.
Многие вопросы об UCYN-A и её хозяине остаются без ответа. Исследователи планируют глубже изучить их взаимодействие и исследовать разные штаммы. Ожидается, что будут найдены и другие организмы с похожей эволюционной историей, но это первое в своём роде открытие, которое войдёт в учебники.