Vědci objevili první organelu vázající dusík

Vědci objevili první organelu vázající dusík

Tento článek byl přezkoumán podle Science Proces editace
A Opatření.
redaktoři Při zajištění důvěryhodnosti obsahu byly zdůrazněny následující vlastnosti:

Kontrola faktů

Recenzovaná publikace

důvěryhodný zdroj

Korektura

Optická mikrofotografie ukazuje mořskou haptofytovou řasu Braarudosphaera bigelowii s černou šipkou označující nitroplastovou organelu. Kredit: Tyler Cole

× Zavřít

Optická mikrofotografie ukazuje mořskou haptofytovou řasu Braarudosphaera bigelowii s černou šipkou označující nitroplastovou organelu. Kredit: Tyler Cole

Moderní učebnice biologie tvrdí, že pouze bakterie jsou schopny odebírat dusík z atmosféry a přeměňovat jej na obyvatelnou formu. Rostliny, které fixují dusík, jako jsou luštěniny, to dělají tak, že ve svých kořenových uzlinách ukrývají symbiotické bakterie. Nejnovější objev ale toto pravidlo obrací naruby.

Ve dvou nedávných pracích popisuje mezinárodní tým vědců první známou organelu fixující dusík uvnitř eukaryotické buňky. Organela je čtvrtým příkladem v historii primární endosymbiózy – procesu, při kterém je prokaryotická buňka pohlcena eukaryotickou buňkou a vyvíjí se za symbiózu v organelu.

„Je velmi vzácné, aby organely vznikly z tohoto druhu věcí,“ řekl Tyler Cole, postdoktorandský výzkumník na UC Santa Cruz a první autor jedné ze dvou nedávných prací. „Když jsme si poprvé mysleli, že se to stalo, dalo to vzniknout všem komplexním formám života. Vše složitější než bakteriální buňka vděčí za svou existenci této události,“ řekl s odkazem na původ mitochondrií. „Před miliardou let nebo tak něco se to stalo znovu s chloroplasty a to nám dalo rostliny,“ řekl Cole.

Třetí dobře známý příklad zahrnuje mikrob podobný chloroplastům. Nejnovější objev je prvním příkladem organely vázající dusík, kterou vědci nazývají nitroplast.

Desítky let stará záhada

Objevení organely vyžadovalo trochu štěstí a desetiletí práce. V roce 1998 našel Jonathan Zahr, významný profesor námořních věd na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz, krátkou sekvenci DNA z neznámé sinice fixující dusík v tichomořské mořské vodě. Zahr a jeho kolegové strávili roky studiem záhadného objektu, který pojmenovali UCYN-A.

Mezitím se Kyoko Hagino, paleontolog z Kochi University v Japonsku, aktivně snažil kultivovat mořské řasy. Ukázalo se, že jde o hostitelský organismus UCYN-A. Trvalo to více než 300 odběrových expedic a více než deset let, ale Hagino nakonec uspěl v pěstování řas v kultuře, což umožnilo dalším výzkumníkům začít studovat UCYN-A a jeho hostitele mořských řas společně v laboratoři.

Po mnoho let vědci považovali UCYN-A za endosymbionta blízce příbuzného řasám. Ale dva nedávné články naznačují, že UCYN-A se vyvinul společně se svým bývalým symbiotickým hostitelem a nyní vyhovuje kritériím pro organelu.

Organický původ

V článku publikovaném v buňka V březnu 2024 Zahr a kolegové z MIT, Instituto de Ciencia de Barcelona a University of Rhode Island ukázali, že objemový poměr mezi UCYN-A a jejich řasovými hostiteli je u různých druhů mořských eufytových řas podobný. Prarodosphaera bigeloi.

Výzkumníci používají model k prokázání, že růst hostitelských buněk a UCYN-A jsou řízeny výměnou živin. Jejich metabolické procesy spolu souvisí. Tato synchronizace v rychlostech růstu vedla vědce k tomu, že nazývali UCYN-A „organelovým“.

„Přesně to se děje s organelami,“ řekl Zahr. „Pokud se podíváte na mitochondrie a chloroplasty, jsou to stejné: expandují s buňkou.“

Měkký Kredit: Valentina Loconte

× Zavřít

Měkký Kredit: Valentina Loconte

Ale vědci sebevědomě nenazvali UCYN-A organelou, dokud nepotvrdili další důkazy. V Titulní článek Z časopisu vědy, dnes zveřejněné, představují Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak z University of California, Santa Cruz a spolupracovníci z University of California, San Francisco, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Taiwan Ocean University a Kochi univerzita v Japonsku. UCYN-A importuje proteiny ze svých hostitelských buněk.

„To je jeden z charakteristických znaků toho, že něco přechází z endosymbionta na organelu,“ řekl Zahr. „Začnou se zbavovat kousků DNA, jejich genom se zmenšuje a zmenšuje a začnou se spoléhat na mateřskou buňku, že přenese tyto genové produkty – nebo samotný protein – do buňky.“

Cole pracoval na proteinech ke studiu. Porovnal proteiny nalezené v izolovaném UCYN-A s proteiny nalezenými v celé hostitelské buňce řasy. Zjistil, že hostitelská buňka vytváří proteiny a označuje je specifickou aminokyselinovou sekvencí, která buňce říká, aby je poslala do nitroplastu. Nitroblast pak dováží a používá proteiny. Cole identifikoval funkci některých proteinů, které vyplňují mezery ve specifických drahách v rámci UCYN-A.

„Je to něco jako kouzelná skládačka, která do sebe zapadá a funguje,“ řekl Zahr.

Ve stejném článku vědci z Kalifornské univerzity v San Franciscu ukázali, že UCYN-A se replikuje ve spojení s buňkou řasy a je zděděna jako jiné organely.

Změňte perspektivy

Tyto nezávislé linie důkazů nenechají nikoho na pochybách, že UCYN-A překonal roli symbionta. Zatímco mitochondrie a chloroplasty se vyvinuly před miliardami let, zdá se, že se dusíkoplasty vyvinuly asi před 100 miliony let, což vědcům poskytuje nový, modernější pohled na tvorbu organel.

Organela také poskytuje vhled do oceánských ekosystémů. Všechny živé organismy potřebují dusík v biologicky využitelné formě a UCYN-A je celosvětově důležitý pro svou schopnost vázat dusík z atmosféry. Vědci ho našli všude od tropů po Severní ledový oceán a fixuje velké množství dusíku.

„Není to jen další hráč,“ řekl Zehr.

Tento objev má také potenciál změnit zemědělství. Schopnost vyrábět amoniakální hnojiva z atmosférického dusíku umožnila na počátku dvacátého století rozmach zemědělství – a světové populace. Tento proces je známý jako Haber-Boschův proces a umožňuje výrobu asi 50 % světové produkce potravin. Produkují také obrovské množství oxidu uhličitého: asi 1,4 % celosvětových emisí pochází z tohoto procesu. Po desetiletí se výzkumníci pokoušeli objevit způsob, jak začlenit přirozenou fixaci dusíku do zemědělství.

„Tento systém je novým pohledem na fixaci dusíku a může poskytnout vodítko k tomu, jak zabudovat takovou organelu do plodin,“ řekl Cole.

Ale mnoho otázek o UCYN-A a jeho hostiteli řas zůstává nezodpovězeno. Vědci plánují ponořit se hlouběji do toho, jak UCYN-A a řasy fungují, a studovat různé kmeny.

Kendra Turk-Cobo, odborná asistentka na UC Santa Cruz, bude pokračovat ve výzkumu ve své nové laboratoři. Zahr očekává, že vědci najdou další organismy s podobnými evolučními příběhy jako UCYN-A, ale jako první svého druhu je tento objev jedním z učebnic.

více informací:
Tyler H. Cole a kol., Organela vázající dusík v mořských řasách, vědy (2024). doi: 10.1126/science.adk1075

Francisco M. Cornejo-Castillo et al., Metabolické kompromisy omezují poměr velikosti buněk v symbióze fixující dusík, buňka (2024). doi: 10.1016/j.cell.2024.02.016

Informace z časopisu:
vědy


buňka


READ  Průkopnické měření odhalilo černou díru rotující čtvrtinovou rychlostí světla

You May Also Like

About the Author: Waldo Kemp

"Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč."

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *