Как цианобактерии формируют паттерны для фиксации азота

Учёные из Университета Карлоса III в Мадриде (UC3M) проанализировали процесс фиксации азота цианобактериями, создав математическую модель, которая раскрывает формируемые ими паттерны. В этих паттернах примерно одна из 10 клеток в нитях цианобактерий фиксирует азот, в то время как остальные девять осуществляют фотосинтез. Эти микроорганизмы фундаментальны для жизни на Земле, поскольку производят большую часть кислорода планеты и преобразуют азот в химические формы, пригодные для использования любой формой жизни.

Цианобактерии продолжают производить от 20 до 30 процентов фотосинтетической активности на Земле. Наряду с другими микроорганизмами, называемыми археями, они — единственные живые существа, способные преобразовывать атмосферный азот в химические формы, пригодные для использования любой формой жизни.

Исследование, недавно опубликованное в журнале PNAS, фокусируется на процессе фиксации азота цианобактериями рода Anabaena, клетки которых образуют нить. При достаточном количестве азота в среде все клетки нити осуществляют фотосинтез. Однако в условиях дефицита фиксированного азота примерно одна из каждых десяти клеток — распределённых довольно регулярно по всей нити — дифференцируется в особый тип клеток, называемый гетероцистой. Гетероцисты не способны к фотосинтезу, но вместо этого фиксируют азот и делятся им с остальными клетками нити.

Исследователи создали математическую модель формирования и поддержания паттерна гетероцист на основе известных генетических данных процесса. Теория воспроизводит экспериментальные наблюдения и позволила предсказать новый, ранее не предлагавшийся механизм, который должен играть роль в поддержании паттерна.

Один из самых удивительных аспектов — регулярность паттерна. «Эти бактерии способны "считать до 10". Каждая десятая фиксирует азот, оставляя промежуток из девяти, а затем снова десятая фиксирует азот», — говорит один из авторов работы Сауль Арес.

До сих пор идеи относительно формирования этого паттерна были лишь качественными, и их согласованность не была доказана. «Создав математическую модель, мы смогли доказать, что эти идеи работают, но также увидели, что процесс объяснён не полностью, потому что на самом деле необходим новый механизм — азот, производимый клетками, играет свою роль», — заключает исследователь.