Naukowcy odkryli pierwsze algi, które mogą wiązać azot - dzięki niewielkiej strukturze

Komórka Braarudosphaera bigelowii w 1000-krotnym powiększeniu. (Źródło: Tyler Coale) 

Naukowcy odkryli rodzaj organelli, podstawowej struktury komórkowej, która może przekształcać azot w formę przydatną do wzrostu komórek. Odkrycie u alg tzw. nitroplastu może wzmocnić wysiłki związane z genetyczną inżynierią roślin w celu przekształcania lub „wiązania" właśnie tego gazu, co mogłoby zwiększyć plony i zmniejszyć zapotrzebowanie na nawozy. Praca została opublikowana w Science 11 kwietnia. 

„Podręczniki mówią, że wiązanie azotu występuje tylko u bakterii i archeonów" - mówi ekolog oceanów Jonathan Zehr z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, współautor badania. Ten gatunek alg jest „pierwszym eukariontem wiążącym azot", dodaje, odnosząc się do grupy organizmów, która obejmuje rośliny i zwierzęta. 

W 2012 roku Zehr i jego koledzy donieśli, że algi morskie Braarudosphaera bigelowii ściśle współdziałały z bakterią o nazwie UCYN-A, która zdawała się żyć w komórkach alg lub na nich. Naukowcy postawili hipotezę, że to ona przekształca azot w związki wykorzystywane przez glony do wzrostu, takie jak amoniak. W zamian za to bakterie otrzymywały od alg źródło energii oparte na węglu. 

Jednak w najnowszym badaniu Zehr i jego koledzy doszli do wniosku, że UCYN-A powinna być klasyfikowana jako organella wewnątrz glonów, a nie jako oddzielny organizm. Według analizy genetycznej z poprzedniego badania, przodkowie glonów i bakterii weszli w symbiotyczny związek około 100 milionów lat temu. Ostatecznie dało to początek organelli nitroplastycznej, obecnie obserwowanej u B. bigelowii.                                                                   x

Definicja organelli
Naukowcy stosują dwa kluczowe kryteria, aby zdecydować, czy bakteria stała się organellą w organizmie gospodarza. Po pierwsze, dana struktura musi być przekazywana z pokolenia na pokolenie. Po drugie, struktura musi być zależna od białek dostarczanych przez komórkę gospodarza. Dzięki monitorowaniu dziesiątek glonów na różnych etapach rozwoju, zespół odkrył, że nitroplast dzieli się na dwie części tuż przed podziałem komórki. W ten sposób jeden nitroplast jest przekazywany z komórki macierzystej do pochodnej, podobnie jak ma to miejsce w przypadku innych elementów. 
 
Następnie naukowcy odkryli, że nitroplast pobiera białka potrzebne do wzrostu z większej komórki. Sam stanowi ponad 8% objętości każdej komórki gospodarza, ale nie posiada kluczowych białek wymaganych do fotosyntezy i tworzenia materiału genetycznego, mówi Zehr. „Wiele z tych białek [z alg] po prostu wypełnia luki metaboliczne" – dodaje. Odkrycie było możliwe dzięki pracy autorki badania Kyoko Hagino z Uniwersytetu Kochi w Japonii, która spędziła około dekadę na dopracowaniu sposobu hodowli alg w laboratorium - co pozwoliło na ich bardziej szczegółowe zbadanie. 

„To godne uwagi" - mówi Siv Andersson, która bada ewolucję organelli na Uniwersytecie w Uppsali w Szwecji. „Naprawdę widzimy wszystkie te cechy, które uważamy za charakterystyczne dla organelli". 

Ulepszone rośliny 
Zrozumienie, w jaki sposób nitroplast wchodzi w interakcję z komórką gospodarza, może wesprzeć wysiłki zmierzające do zaprojektowania upraw, które mogą wiązać własny azot, komentuje Zehr. Zmniejszyłoby to zapotrzebowanie na nawozy azotowe i pozwoliłoby uniknąć niektórych szkód środowiskowych, jakie powodują. „Triki, które są związane z działaniem tego systemu, mogą być wykorzystane w inżynierii roślin lądowych" - dodaje. 
„Wydajność upraw jest głównie ograniczona przez dostępność azotu” – Eva Novack, badaczka bakterii symbiotycznych na Uniwersytecie Heinricha Heinego w Düsseldorfie w Niemczech. „Posiadanie organelli wiążącej azot w roślinie uprawnej byłoby fantastyczne”. Ostrzega jednak, że wprowadzenie tej zdolności do roślin nie będzie łatwe. Komórki roślinne zawierające kod z nitroplastem, musiałyby zostać zaprojektowane tak by geny były stabilne i przenoszone z pokolenia na pokolenie. Dodaje: „to byłaby najtrudniejsza rzecz do zrobienia”. 

„To jednocześnie przyjemność i zachwyt widzieć, jak wspólna praca buduje coś, co z pewnością jest kamieniem milowym w kształtowaniu wiedzy" - mówi Jeffrey Elhai, biolog komórkowy z Uniwersytetu Wspólnoty Wirginii w Richmond w Stanach Zjednoczonych.