Ontdekking van stikstoffixerende celorganel Nitroplast in een eukaryotische algen   

Biosynthese van eiwitten en Nucleïnezuur vereisen stikstof er is echter geen atmosferische stikstof beschikbaar eukaryoten voor organische synthese. Slechts enkele prokaryoten (zoals cyanobacteriën, clostridia, archaea enz.) hebben het vermogen om de moleculaire stikstof die overvloedig aanwezig is in de natuur te fixeren sfeer. Enige stikstoffixatie bacteriën leven in eukaryotische cellen in symbiotische relatie als endosymbionten. Bijvoorbeeld de cyanobacteriën Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) is een endosymbiont van de eencellige microalgen Braarudosphaera bigelowii in mariene systemen. Aangenomen wordt dat een dergelijk natuurlijk fenomeen een cruciale rol heeft gespeeld in de evolutie van eukaryoten cel organellen, mitochondriën en chloroplasten door integratie van endosymbiotische bacteriën in de eukaryotische cel. In een onlangs gepubliceerd onderzoek ontdekten onderzoekers dat de cyanobacteriën “UCYN-A”was nauw geïntegreerd met de eukaryotische microalgen Braarudosphaera bigelowii en evolueerde van een endosymbiont naar een stikstofbindend eukaryotisch celorganel genaamd nitroplast. Hierdoor ontstonden microalgen Braarudosphaera bigelowii de eerste bekende stikstoffixerende eukaryoot. Deze ontdekking heeft de functie van fixatie van atmosferische stikstof van prokaryoten naar eukaryoten uitgebreid.  

Symbiose, dwz organismen van verschillende soorten die een leefgebied delen en samenleven, is een veel voorkomend natuurverschijnsel. De partners in de symbiotische relatie kunnen van elkaar profiteren (mutualisme), of de een profiteert terwijl de ander onaangetast blijft (commensalisme), of de een profiteert terwijl de ander wordt geschaad (parasitisme). De symbiotische relatie wordt endosymbiose genoemd wanneer het ene organisme in het andere organisme leeft, bijvoorbeeld een prokaryote cel die in een eukaryotische cel leeft. De prokaryotische cel wordt in een dergelijke situatie endosymbiont genoemd.  

Endosymbiose (dwz de internalisatie van prokaryoten door een voorouderlijke eukaryotische cel) speelde een cruciale rol in de evolutie van mitochondriën en chloroplasten, de celorganellen die kenmerkend zijn voor complexere eukaryotische cellen, die bijdroegen aan de proliferatie van eukaryotische levensvormen. Aangenomen wordt dat een aërobe proteobacterie de voorouderlijke eukaryotische cel is binnengedrongen om een ​​endosymbiont te worden in een tijd waarin de omgeving steeds zuurstofrijker werd. Het vermogen van de endosymbiont proteobacterium om zuurstof te gebruiken om energie te maken, zorgde ervoor dat de gastheer-eukaryoot kon gedijen in de nieuwe omgeving, terwijl de andere eukaryoten uitstierven als gevolg van negatieve selectiedruk opgelegd door de nieuwe zuurstofrijke omgeving. Uiteindelijk integreerde de proteobacterium met het gastheersysteem om een ​​mitochondrion te worden. Op dezelfde manier kwamen sommige fotosynthetiserende cyanobacteriën de voorouderlijke eukaryoten binnen om endosymbiont te worden. Na verloop van tijd assimileerden ze met het eukaryote gastheersysteem en werden ze chloroplasten. Eukaryoten met chloroplasten verwierven het vermogen om atmosferische koolstof vast te leggen en werden autotrofen. De evolutie van koolstoffixerende eukaryoten uit de voorouderlijke eukaryoten was een keerpunt in de geschiedenis van het leven op aarde. 

Stikstof is vereist voor de organische synthese van eiwitten en nucleïnezuren, maar het vermogen om stikstof uit de atmosfeer te fixeren is slechts beperkt tot enkele prokaryoten (zoals sommige cyanobacteriën, clostridia, archaea enz.). Er zijn geen bekende eukaryoten die zelfstandig stikstof uit de atmosfeer kunnen fixeren. Mutualistische endosymbiotische relaties tussen stikstofbindende prokaryoten en koolstofbindende eukaryoten die stikstof nodig hebben om te groeien, worden in de natuur gezien. Een voorbeeld hiervan is de samenwerking tussen de cyanobacteriën Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) en de eencellige microalgen Braarudosphaera bigelowii in mariene systemen.  

In een recente studie werd de endosymbiotische relatie tussen de cyanobacteriën Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) en de eencellige microalgen Braarudosphaera bigelowii onderzocht met behulp van zachte röntgentomografie. Visualisatie van de celmorfologie en deling van de alg onthulde een gecoördineerde celcyclus waarin de endosymbiont-cyanobacteriën zich gelijkmatig verdeelden, precies zoals chloroplasten en mitochondriën in een eukaryoot zich delen tijdens celdeling. Onderzoek naar eiwitten die betrokken zijn bij de cellulaire activiteiten onthulde dat een aanzienlijk deel daarvan werd gecodeerd door het genoom van algen. Dit omvatte eiwitten die essentieel zijn voor biosynthese, celgroei en deling. Deze bevindingen suggereren dat de endosymbiont-cyanobacteriën nauw geïntegreerd waren met het cellulaire systeem van de gastheer en waren overgegaan van een endosymbiont naar een volwaardig organel van de gastheercel. Als gevolg hiervan verwierf de gastheeralgencel het vermogen om atmosferische stikstof te fixeren voor de synthese van eiwitten en nucleïnezuren die nodig zijn voor groei. Het nieuwe organel krijgt een naam nitroplast vanwege het stikstofbindende vermogen.  

Hierdoor ontstaan ​​de eencellige microalgen Braarudosphaera bigelowii de eerste stikstofbindende eukaryoot. Deze ontwikkeling kan gevolgen hebben voor landbouw en de kunstmestindustrie op de lange termijn.

*** 

Referenties:  

1. Coale, TH et al. 2024. Stikstofbindend organel in een zeealg. Wetenschap. 11 april 2024. Vol 384, uitgave 6692 blz. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Massana R., 2024. De nitroplast: een stikstofbindend organel. WETENSCHAP. 11 april 2024. Deel 384, nummer 6692. blz. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***