Ontdekking van stikstoffixerende celorganel Nitroplast in een eukaryotische algen   

De biosynthese van eiwitten en nucleïnezuren vereist stikstof , maar atmosferische stikstof is niet beschikbaar voor eukaryoten voor organische synthese. Slechts enkele prokaryoten (zoals cyanobacteriën , clostridia , archaea , enz.) hebben het vermogen om de in de atmosfeer overvloedig aanwezige moleculaire stikstof te fixeren . Sommige stikstofbindende bacteriën leven in symbiotische relatie als endosymbionten in eukaryotische cellen. Zo is de cyanobacterie Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) een endosymbiont van de eencellige microalg Braarudosphaera bigelowii in mariene systemen. Men vermoedt dat dit natuurlijke fenomeen een cruciale rol heeft gespeeld in de evolutie van eukaryotische celorganellen zoals mitochondriën en chloroplasten, door de integratie van endosymbiotische bacteriën in de eukaryotische cel. In een recent gepubliceerde studie ontdekten onderzoekers dat de cyanobacterie " UCYN-A " nauw geïntegreerd was met de eukaryotische microalg Braarudosphaera bigelowii en geëvolueerd was van een endosymbiont tot een stikstofbindend eukaryotisch celorganel genaamd nitroplast. Dit maakte de microalg Braarudosphaera bigelowii de eerste bekende stikstofbindende eukaryoot. Deze ontdekking heeft de functie van stikstofbinding uit de atmosfeer uitgebreid van prokaryoten naar eukaryoten.

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 recent onderzoek werd de endosymbiotische relatie tussen de cyanobacterie Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) en de eencellige microalg Braarudosphaera bigelowii onderzocht met behulp van zachte röntgentomografie. Visualisatie van de celmorfologie en celdeling van de alg onthulde een gecoördineerde celcyclus waarin de endosymbiotische cyanobacterie gelijkmatig deelde, net zoals chloroplasten en mitochondriën in een eukaryoot tijdens celdeling. Onderzoek naar eiwitten die betrokken zijn bij de cellulaire activiteiten toonde aan dat een aanzienlijk deel ervan gecodeerd werd door het genoom van de alg. Dit omvatte eiwitten die essentieel zijn voor biosynthese, celgroei en celdeling. Deze bevindingen suggereren dat de endosymbiotische cyanobacterie nauw geïntegreerd was met het cellulaire systeem van de gastheer en de overgang maakte van een endosymbiont naar een volwaardig organel van de gastheercel. Als gevolg hiervan verwierf de gastheer-algcel het vermogen om atmosferische stikstof te fixeren voor de synthese van eiwitten en nucleïnezuren die nodig zijn voor groei. Het nieuwe organel is nitroplast genoemd vanwege zijn vermogen om stikstof te binden.

Dit maakt de eencellige microalg Braarudosphaera bigelowii de eerste stikstofbindende eukaryoot. Deze ontwikkeling kan op de lange termijn gevolgen hebben voor de landbouw en de kunstmestindustrie.

*** 

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  

***