Исследователи обнаружили чрезвычайно редкую форму жизни, возникшую в результате слияния водоросли с азотофиксирующей бактерией 100 миллионов лет назад. Это явление, известное как первичный эндосимбиоз, происходит, когда один организм поглощает другой, превращая его в органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты. Это третий зарегистрированный случай эндосимбиоза. Этот случай может проложить путь к более устойчивому производству азота для сельского хозяйства.
За 4 миллиарда лет существования жизни на Земле до сих пор было известно только два случая первичного эндосимбиоза. Первый произошел 2,2 миллиарда лет назад, когда архея поглотила бактерию и включила ее в свой метаболический арсенал, превратив в митохондрию. Этот шаг стал важным этапом в эволюции всех организмов на Земле, позволив им развиваться в сторону более сложных форм.
Второй известный первичный эндосимбиоз произошел 1,6 миллиарда лет назад, когда одноклеточные организмы поглотили цианобактерии, способные преобразовывать свет в энергию (фотосинтез). Эти бактерии превратились в хлоропласты, которые и сегодня используют хлорофилловые растения для преобразования солнечного света в энергию.
С другой стороны, считалось, что только бактерии могут извлекать атмосферный азот и преобразовывать его в пригодную для клеточного метаболизма форму (аммиак). Растения, способные фиксировать азот (например, бобовые), осуществляют этот процесс, размещая эти бактерии в своих корневых узлах.
Открытие команды Лаборатории Беркли перевернуло это представление: впервые органелла, способная фиксировать азот, была встроена в эукариотическую клетку (морскую водоросль). «Органеллы очень редко возникают в результате такого рода вещей [первичного эндосимбиоза]«, — объясняет Тайлер Коул из Калифорнийского университета в Санта-Крузе в пресс-релизе Лаборатории Беркли. «Первый известный нам случай, когда это произошло, привел к появлению всей сложной жизни. Все, что сложнее бактериальной клетки, обязано своим существованием этому событию«, — говорит он, говоря о происхождении митохондрий. Новая органелла, описанная в двух исследованиях, опубликованных в журналах и , получила название «нитропласт».
Самобытная органелла
Для открытия этой органеллы потребовалось несколько десятилетий работы. В 1998 году ученые обнаружили короткую последовательность ДНК, которая, как оказалось, происходила от азотфиксирующей цианобактерии (UCYN-A), обитающей в Тихом океане. С другой стороны, другая команда из Университета Кочи (Япония) идентифицировала морскую водоросль (Braarudosphaera bigelowii), которая, как оказалось, была симбиотическим хозяином бактерии. ДНК бактерии была обнаружена в большом количестве в клетках водорослей.
Хотя исследователи считали UCYN-A простым эндосимбионтом водоросли, два новых исследования позволяют предположить, что она эволюционировала вместе со своим хозяином и превратилась в самостоятельную органеллу. После более чем 300 экспериментов японской команде удалось выделить и вырастить водоросль в лаборатории. Это позволило им показать, что соотношение размеров между UCYN-A и водорослями-хозяевами одинаково у разных видов.
Исследователи также использовали компьютерную модель для анализа роста клетки-хозяина и бактерии в процессе обмена питательными веществами. Они обнаружили, что их метаболизмы идеально синхронизированы, что позволяет им координировать свой рост. «Именно так происходит с органеллами«, — объясняет Джонатан Зер из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и соавтор двух исследований. «Если вы посмотрите на митохондрии и хлоропласты, то это одно и то же: они развиваются вместе с клеткой«, — добавляет он.
Эксперты также показали, что бактерия UCYN-A полагается на клетку-хозяина для репликации белка и размножения. Для этого они использовали метод рентгеновской визуализации и томографию, чтобы наблюдать за клеточными процессами в режиме реального времени. «С помощью рентгеновской визуализации мы показали, что процессы репликации и деления водоросли-хозяина и эндосимбионта синхронизированы«, — объясняет Каролин Ларабелл из Лаборатории Беркли.
Также было проведено количественное определение белков двух организмов. Выяснилось, что около половины белков UCYN-A синтезируются клеткой-хозяином, которая помечает их специфической белковой последовательностью. Эта метка позволяет клетке отправить их в нитропласт, который импортирует их и использует в собственном метаболизме. «Это одна из характеристик того, что из эндосимбионта превращается в органеллу«, — объясняет Зер. «Они начинают выбрасывать фрагменты ДНК, их геномы становятся все меньше и меньше, и они начинают зависеть от материнской клетки в плане транспортировки этих генных продуктов в клетку».
Потенциал для более устойчивого производства азота
По оценкам исследователей, нитропласты появились около 100 миллионов лет назад. Поскольку UCYN-A присутствует почти во всех океанах мира, он, вероятно, участвует в круговороте азота в атмосфере. Это открытие может иметь серьезные последствия для сельского хозяйства, поскольку промышленный процесс, используемый в настоящее время для преобразования атмосферного азота в аммиак (процесс Хабера-Боша), очень энергоемкий. Этот процесс используется для производства 50 % мирового продовольствия и отвечает примерно за 1,4 % выбросов углекислого газа.
Однако многие вопросы о нитропласте и его водорослевом хозяине остаются без ответа. В качестве следующего шага исследователи планируют выяснить, присутствует ли он в других клетках и какие последствия может иметь. Это может позволить интегрировать фиксацию азота непосредственно в растения, чтобы повысить урожайность.