Biosynteesi proteiinit ja nukleiinihappo edellyttää typpi ilmakehän typpeä ei kuitenkaan ole saatavilla eukaryootit orgaanista synteesiä varten. Vain harvat prokaryootit (esim syanobakteerit, clostridia, archaea jne.) pystyvät kiinnittämään molekyylin typpeä, jota on runsaasti saatavilla ilmapiiri. Jonkin verran typpeä sitovaa bakteerit elävät eukaryoottisolujen sisällä symbioottisessa suhteessa endosymbionteina. Esimerkiksi syanobakteerit Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) on yksisoluisten mikrolevien endosymbiontti Braarudosphaera bigelowii merijärjestelmissä. Tällaisella luonnonilmiöllä uskotaan olleen ratkaiseva rooli eukaryoottien evoluutiossa solu organellit mitokondriot ja kloroplastit integroimalla endosymbioottiset bakteerit eukaryoottisoluun. Äskettäin julkaistussa tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että syanobakteerit "UCYN-A” oli tiiviisti integroitunut eukaryoottisten mikrolevien kanssa Braarudosphaera bigelowii ja kehittyi endosymbiontista typpeä sitovaksi eukaryoottisoluorganelliksi nimeltä nitroplast. Tästä muodostui mikroleviä Braarudosphaera bigelowii ensimmäinen tunnettu typpeä sitova eukaryootti. Tämä löytö on laajentanut ilmakehän typen kiinnitystoimintoa prokaryooteista eukaryooteihin.
Symbioosi eli eri lajien eliöt jakavat elinympäristön ja elävät yhdessä, on yleinen luonnonilmiö. Symbioottisen suhteen kumppanit voivat hyötyä toisistaan (mutualismi), tai toinen voi hyötyä, kun toinen pysyy ennallaan (kommensalismi) tai toinen hyötyy, kun toinen vahingoittuu (parasitismi). Symbioottista suhdetta kutsutaan endosymbioosiksi, kun organismi elää toisen sisällä, esimerkiksi eukaryoottisolun sisällä elävä prokaryoottisolu. Prokaryoottista solua kutsutaan sellaisessa tilanteessa endosymbiontiksi.
Endosymbioosi (eli prokaryoottien sisäistäminen esi-isien eukaryoottisolujen toimesta) oli ratkaisevassa roolissa mitokondrioiden ja kloroplastien, monimutkaisemmille eukaryoottisoluille tyypillisten soluorganellien, kehityksessä, mikä vaikutti eukaryoottisten elämänmuotojen lisääntymiseen. Aerobisen proteobakteerin uskotaan tulleen esi-isien eukaryoottisoluihin endosymbiontiksi aikana, jolloin ympäristöstä tuli yhä enemmän happea. Endosymbionttiproteobakteerin kyky käyttää happea energian tuottamiseen mahdollisti isäntäeukaryootin menestymisen uudessa ympäristössä, kun taas muut eukaryootit kuolivat sukupuuttoon uuden happirikkaan ympäristön aiheuttaman negatiivisen valintapaineen vuoksi. Lopulta proteobakteeri integroitui isäntäjärjestelmään ja muuttui mitokondrioksi. Samoin jotkut fotosyntetisoivat syanobakteerit pääsivät esi-isien eukaryooteihin tullakseen endosymbionteiksi. Aikanaan ne assimiloituivat eukaryoottiseen isäntäjärjestelmään ja muuttuivat kloroplasteiksi. Eukaryootit, joilla oli kloroplasteja, saivat kyvyn sitoa ilmakehän hiiltä ja niistä tuli autotrofeja. Hiiltä sitovien eukaryoottien kehittyminen esi-isien eukaryooteista oli käännekohta maan elämän historiassa.
Typpeä tarvitaan proteiinien ja nukleiinihappojen orgaaniseen synteesiin, mutta kyky sitoa ilmakehän typpeä on rajoitettu vain muutamiin prokaryooteihin (kuten joihinkin syanobakteereihin, klostridioihin, arkeisiin jne.). Mitkään tunnetut eukaryootit eivät pysty itsenäisesti sitomaan ilmakehän typpeä. Luonnossa nähdään keskinäisiä endosymbioottisia suhteita typpeä sitovien prokaryoottien ja hiiltä sitovien eukaryoottien välillä, jotka tarvitsevat typpeä kasvaakseen. Yksi tällainen esimerkki on kumppanuus syanobakteerien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ja yksisoluisen Braarudosphaera bigelowii -mikrolevän välillä merijärjestelmissä.
Tuoreessa tutkimuksessa endosymbioottista suhdetta Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ja yksisoluisen mikrolevän Braarudosphaera bigelowii välillä tutkittiin pehmeällä röntgentomografialla. Solumorfologian ja levän jakautumisen visualisointi paljasti koordinoidun solusyklin, jossa endosymbionttisyanobakteerit jakautuivat tasaisesti samalla tavalla kuin kloroplastit ja mitokondriot jakautuvat eukaryootissa solunjakautumisen aikana. Solujen toimintaan osallistuvien proteiinien tutkimus paljasti, että levägenomi koodaa huomattavan osan niistä. Tämä sisälsi biosynteesille, solujen kasvulle ja jakautumiselle välttämättömiä proteiineja. Nämä havainnot viittaavat siihen, että endosymbionttisyanobakteerit olivat integroituneet läheisesti isäntäsolujärjestelmään ja siirtyneet endosymbiontista isäntäsolun täysimittaiseksi organelliksi. Tämän seurauksena isäntäleväsolu sai kyvyn sitoa ilmakehän typpeä kasvuun tarvittavien proteiinien ja nukleiinihappojen synteesiä varten. Uusi organelli on nimetty nitroplasti sen typensidontakykynsä vuoksi.
Tämä muodostaa yksisoluisia mikroleviä Braarudosphaera bigelowii ensimmäinen typpeä sitova eukaryootti.Tällä kehityksellä voi olla vaikutuksia maatalous ja kemiallinen lannoiteteollisuus pitkällä aikavälillä.
***
Viitteet:
- Coale, TH et ai. 2024. Typpeä sitova organelli merilevässä. Tiede. 11. huhtikuuta 2024. Vol. 384, numero 6692, s. 217–222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplasti: typpeä sitova organelli. TIEDE. 11. huhtikuuta 2024. Vol. 384, numero 6692. s. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
