Biosüntees valgud ja nukleiinhape nõudma lämmastik aga õhulämmastik ei ole neile kättesaadav eukarüootid orgaanilise sünteesi jaoks. Ainult vähesed prokarüootid (nt sinivetikad, klostriidid, arheed jne) on võimeline fikseerima molekulaarset lämmastikku, mis on rikkalikult saadaval atmosfäär. Natuke lämmastikku siduv bakterid elavad eukarüootsetes rakkudes sümbiootilises suhtes endosümbiontidena. Näiteks sinivetikad Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) on ainuraksete mikrovetikate endosümbiont Braarudosphaera bigelowii meresüsteemides. Arvatakse, et selline loodusnähtus mängis eukarüootide evolutsioonis otsustavat rolli rakk organellide mitokondrid ja kloroplastid endosümbiootiliste bakterite integreerimise kaudu eukarüootsesse rakku. Hiljuti avaldatud uuringus leidsid teadlased, et tsüanobakterid "UCYN-A” oli tihedalt integreerunud eukarüootsete mikrovetikatega Braarudosphaera bigelowii ja arenes endosümbiontist lämmastikku fikseerivaks eukarüootse raku organelliks nimega nitroplast. Sellest tekkisid mikrovetikad Braarudosphaera bigelowii esimene teadaolev lämmastikku siduv eukarüoot. See avastus on laiendanud atmosfäärilämmastiku fikseerimise funktsiooni prokarüootidelt eukarüootidele.
Sümbioos ehk eri liikide organismid, kes jagavad elupaika ja elavad koos, on tavaline loodusnähtus. Sümbiootilises suhtes olevad partnerid võivad teineteisest kasu saada (vastastikune suhtumine) või üks võib kasu saada, kui teine jääb puutumatuks (kommensalism), või üks saab kasu, kui teine saab kahju (parasitism). Sümbiootilist suhet nimetatakse endosümbioosiks, kui üks organism elab teise sees, näiteks eukarüootse raku sees elav prokarüootne rakk. Sellises olukorras nimetatakse prokarüootset rakku endosümbiontiks.
Endosümbioos (st prokarüootide sisestamine esivanemate eukarüootse raku poolt) mängis otsustavat rolli mitokondrite ja kloroplastide, keerukamatele eukarüootsetele rakkudele iseloomulike rakuorganellide evolutsioonis, mis aitas kaasa eukarüootsete eluvormide vohamisele. Arvatakse, et aeroobne proteobakter sisenes esivanemate eukarüootsesse rakku, et saada endosümbiontiks ajal, mil keskkond muutus üha hapnikurikkamaks. Endosümbiontide proteobakterite võime kasutada energia tootmiseks hapnikku võimaldas peremees-eukarüootidel uues keskkonnas areneda, samal ajal kui teised eukarüootid surid välja uue hapnikurikka keskkonna poolt tekitatud negatiivse valikusurve tõttu. Lõpuks integreerus proteobakter peremeessüsteemiga mitokondriks. Samamoodi sisenesid mõned fotosünteesivad tsüanobakterid esivanemate eukarüootidesse, et muutuda endosümbiontideks. Aja jooksul assimileerusid nad eukarüootse peremeessüsteemiga, saades kloroplastideks. Kloroplastidega eukarüootid omandasid võime siduda atmosfääri süsinikku ja neist said autotroofid. Süsinikku siduvate eukarüootide evolutsioon esivanemate eukarüootidest oli pöördepunkt maapealse elu ajaloos.
Lämmastikku on vaja valkude ja nukleiinhapete orgaaniliseks sünteesiks, kuid võime siduda õhulämmastikku on piiratud vaid mõne prokarüootiga (nagu mõned tsüanobakterid, klostriidid, arheed jne). Ükski teadaolev eukarüoot ei suuda iseseisvalt õhulämmastikku siduda. Looduses on näha lämmastikku siduvate prokarüootide ja süsinikku siduvate eukarüootide vahelisi vastastikusi endosümbiootilisi seoseid, mis vajavad kasvamiseks lämmastikku. Üks selline näide on partnerlus tsüanobakterite Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ja ainuraksete mikrovetikate Braarudosphaera bigelowii vahel meresüsteemides.
Hiljutises uuringus uuriti pehme röntgentomograafia abil tsüanobakterite Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ja ainuraksete mikrovetikate Braarudosphaera bigelowii endosümbiootilist seost. Rakkude morfoloogia ja vetikate jagunemise visualiseerimine näitas koordineeritud rakutsüklit, milles endosümbiontsed tsüanobakterid jagunesid ühtlaselt nii, nagu eukarüootides jagunevad kloroplastid ja mitokondrid raku jagunemise ajal. Rakutegevuses osalevate valkude uurimine näitas, et suur osa neist oli kodeeritud vetikate genoomi poolt. See hõlmas valke, mis on olulised biosünteesiks, rakkude kasvuks ja jagunemiseks. Need leiud viitavad sellele, et endosümbiontsed tsüanobakterid olid tihedalt integreerunud peremeesrakusüsteemiga ja läksid endosümbiontilt peremeesraku täieõiguslikuks organelliks. Selle tulemusena omandas peremeesvetikarakk võime fikseerida õhulämmastikku kasvuks vajalike valkude ja nukleiinhapete sünteesiks. Uus organell kannab nime nitroplast lämmastikku siduva võime tõttu.
See muudab üherakulised mikrovetikad Braarudosphaera bigelowii esimene lämmastikku siduv eukarüoot. Sellel arengul võib olla mõju põllumajandus ja keemiaväetisetööstus pikemas perspektiivis.
***
viited:
- Coale, TH et al. 2024. Lämmastikku siduv organell merevetikas. Teadus. 11. aprill 2024. Vol 384, väljaanne 6692, lk 217–222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplast: lämmastikku siduv organell. TEADUS. 11. aprill 2024. 384. kd, väljaanne 6692. lk 160–161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
