Адкрыццё нітрапласта азотфіксуючай клеткавай арганэлы ў эўкарыятычнай водарасці   

Біясінтэз бялкі і нуклеінавая кіслата патрабаваць азот аднак атмасферны азот недаступны эукарыёты для арганічнага сінтэзу. Толькі нешматлікія пракарыёты (напрыклад цианобактерии, клострыдыі, архей і г.д.) маюць здольнасць фіксаваць малекулярны азот, які ў багацці даступны ў атмасфера. Некаторая азотфіксацыя бактэрыі жывуць у эўкарыятычных клетках у сімбіятычных адносінах як эндасімбіёнты. Напрыклад, цианобактерии Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) - эндасімбіёнт аднаклетачных мікраводарасцей Braarudosphaera bigelowii у марскіх сістэмах. Лічыцца, што такая прыродная з'ява адыграла вырашальную ролю ў эвалюцыі эўкарыётаў ячэйка арганэл мітахондрыяў і хларапластаў шляхам інтэграцыі эндасімбіятычных бактэрый у эукарыятычную клетку. У нядаўна апублікаваным даследаванні даследчыкі выявілі, што цыянабактэрыі "УЦЫН-А” цесна інтэграваны з эўкарыятычнай мікраводарасцей Braarudosphaera bigelowii і эвалюцыянаваў ад эндасімбіёнта да азотфіксуючай арганэлы эўкарыятычнай клеткі пад назвай нітрапласт. Гэта зрабіла мікраводарасцей Braarudosphaera bigelowii першы вядомы азотфіксуючы эукарыёт. Гэта адкрыццё пашырыла функцыю фіксацыі атмасфернага азоту ад пракарыёт да эўкарыёт.  

Звычайная прыродная з'ява - сімбіёз, гэта значыць сумеснае жыццё арганізмаў розных відаў. Партнёры ў сімбіятычных адносінах могуць прыносіць карысць адзін ад аднаго (мутуалізм), або адзін можа прыносіць карысць, а другі заставацца незакранутым (каменсалізм), або адзін атрымлівае карысць, а другому шкодзіць (паразітызм). Сімбіятычныя адносіны называюцца эндасімбіёзам, калі адзін арганізм жыве ўнутры іншага, напрыклад, пракарыётычная клетка, якая жыве ўнутры эукарыётычнай клеткі. Пракарыётычную клетку ў такой сітуацыі называюць эндасімбіёнтам.  

Эндасімбіёз (г.зн. інтэрналізацыя пракарыёт эукарыятычнай клеткай-продкам) адыграў вырашальную ролю ў эвалюцыі мітахондрый і хларапластаў, клеткавых арганэл, характэрных для больш складаных эукарыятычных клетак, якія спрыялі распаўсюджванню эукарыятычных формаў жыцця. Мяркуецца, што аэробная пратэабактэрыя трапіла ў эукарыятычную клетку продка, каб стаць эндасімбіёнтам у той час, калі навакольнае асяроддзе стала больш багатым кіслародам. Здольнасць эндасімбіёнтнай пратэабактэрыі выкарыстоўваць кісларод для атрымання энергіі дазволіла эўкарыёту-гаспадару развівацца ў новым асяроддзі, у той час як іншыя эўкарыёты вымерлі з-за адмоўнага ціску адбору, які ствараецца новым багатым кіслародам асяроддзем. У рэшце рэшт, пратэабактэрыя інтэгравалася з сістэмай гаспадара, каб стаць мітахондрыяй. Падобным чынам некаторыя фотасінтэзуючыя цыянабактэрыі ўвайшлі ў продкі эукарыёт, каб стаць эндасімбіёнтамі. З часам яны асіміляваліся з эукарыятычнай сістэмай гаспадара, каб стаць хларапластамі. Эўкарыёты з хларапластамі набылі здольнасць фіксаваць атмасферны вуглярод і сталі аўтатрофамі. Эвалюцыя вуглярод-фіксуючых эўкарыёт ад эукарыёт-продкаў стала паваротным момантам у гісторыі жыцця на зямлі. 

Азот неабходны для арганічнага сінтэзу бялкоў і нуклеінавых кіслот, аднак здольнасць фіксаваць атмасферны азот абмежаваная толькі некаторымі пракарыётамі (напрыклад, некаторымі цыянабактэрыямі, клострыдыямі, археямі і г.д.). Ніякія вядомыя эўкарыёты не могуць самастойна фіксаваць атмасферны азот. У прыродзе назіраюцца мутуалістычныя эндасімбіятычныя адносіны паміж азотфіксуючымі пракарыётамі і вугляродфіксуючымі эўкарыётамі, якім неабходны азот для росту. Адным з такіх прыкладаў з'яўляецца партнёрства паміж цыянабактэрыямі Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) і аднаклетачнымі мікраводарасцямі Braarudosphaera bigelowii ў марскіх сістэмах.  

У нядаўнім даследаванні эндасімбіятычныя адносіны паміж цыянабактэрыямі Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) і аднаклетачнымі мікраводарасцямі Braarudosphaera bigelowii былі даследаваны з дапамогай мяккай рэнтгенаўскай тамаграфіі. Візуалізацыя клетачнай марфалогіі і дзялення водарасці выявіла скаардынаваны клеткавы цыкл, у якім эндасімбіёнтныя цыянабактэрыі дзяліліся раўнамерна гэтак жа, як хларапласты і мітахондрыі ў эўкарыётах дзеляцца падчас дзялення клетак. Вывучэнне бялкоў, якія ўдзельнічаюць у клеткавай дзейнасці, паказала, што значная частка з іх была закадавана геномам багавіння. Гэта ўключала вавёркі, неабходныя для біясінтэзу, росту і дзялення клетак. Гэтыя высновы сведчаць аб тым, што эндасімбіёнтныя цыянабактэрыі цесна інтэграваліся з клеткавай сістэмай гаспадара і ператварыліся з эндасімбіёнта ў паўнавартасную арганэл клеткі гаспадара. Як следства, клетка багавіння-гаспадара набыла здольнасць фіксаваць атмасферны азот для сінтэзу бялкоў і нуклеінавых кіслот, неабходных для росту. Названа новая арганэла нітрапласт з-за яго здольнасці фіксаваць азот.  

Гэта робіць аднаклетачныя мікраводарасцей Braarudosphaera bigelowii першы эўкарыёт, які фіксуе азот. Гэта развіццё можа мець наступствы для сельская гаспадарка і прамысловасць хімічных угнаенняў у доўгатэрміновай перспектыве.

*** 

Спасылкі:  

1. Коўл, TH і іншыя 2024. Азотфіксуючыя арганэл у марской водарасці. Навука. 11 красавіка 2024 г. Том 384, выпуск 6692, с. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Масана Р., 2024. Нітрапласт: арганэла, якая фіксуе азот. НАВУКА. 11 красавіка 2024 г. Том 384, выпуск 6692. С. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***