Ontdekking van stikstofbindende sel-organel nitroplast in 'n eukariotiese alge   

Biosintese van proteïene en nukleïensuur vereis stikstof atmosferiese stikstof is egter nie beskikbaar vir eukariote vir organiese sintese. Slegs min prokariote (soos sianobakterieë, clostridia, archaea ens) het die vermoë om die molekulêre stikstof wat oorvloedig beskikbaar is in die atmosfeer. Ietwat stikstofbindend bakterië leef binne eukariotiese selle in simbiotiese verhouding as endosimbionte. Byvoorbeeld, die sianobakterieë Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) is 'n endosimbion van die eensellige mikroalge Braarudosphaera bigelowii in mariene stelsels. Daar word vermoed dat so 'n natuurlike verskynsel 'n deurslaggewende rol gespeel het in die evolusie van eukariotiese sel organelle mitochondria en chloroplaste deur integrasie van endosimbiotiese bakterieë in die eukariotiese sel. In 'n onlangs gepubliseerde studie het navorsers bevind dat die sianobakterieë "UCYN-A” het nou geïntegreer met die eukariotiese mikroalge Braarudosphaera bigelowii en ontwikkel van 'n endosymbiont tot stikstofbindende eukariotiese selorganel genaamd nitroplast. Dit het mikroalge gemaak Braarudosphaera bigelowii die eerste bekende stikstofbindende eukariot. Hierdie ontdekking het die funksie van fiksasie van atmosferiese stikstof van prokariote na eukariote uitgebrei.  

Simbiose, dit wil sê organismes van verskillende spesies wat habitat deel en saam leef, is 'n algemene natuurlike verskynsel. Die vennote in die simbiotiese verhouding kan by mekaar baat (mutualisme), of een kan baat vind terwyl die ander onaangeraak bly (kommensalisme) of een bevoordeel terwyl die ander benadeel word (parasitisme). Die simbiotiese verwantskap word endosimbiose genoem wanneer een organisme binne die ander leef, byvoorbeeld 'n prokariotiese sel wat binne 'n eukariotiese sel leef. Die prokariotiese sel word in so 'n situasie endosymbiont genoem.  

Endosimbiose (dws internalisering van prokariote deur 'n voorvaderlike eukariotiese sel) het 'n deurslaggewende rol gespeel in die evolusie van mitochondria en chloroplaste, die selorganelle wat kenmerkend is van meer komplekse eukariotiese selle, wat bygedra het tot die verspreiding van eukariotiese lewensvorme. Daar word vermoed dat 'n aërobiese proteobakterium voorouerlike eukariotiese sel binnegegaan het om 'n endosymbiont te word in 'n tyd toe die omgewing toenemend suurstofryk geword het. Die vermoë van die endosymbiont proteobacterium om suurstof te gebruik om energie te maak, het die gasheer-eukariote toegelaat om in die nuwe omgewing te floreer terwyl die ander eukariote uitgesterf het as gevolg van negatiewe seleksiedruk wat deur die nuwe suurstofryke omgewing opgelê is. Uiteindelik het die proteobakterium met die gasheerstelsel geïntegreer om 'n mitochondrion te word. Net so het sommige fotosinteserende sianobakterieë die voorvaderlike eukariote binnegedring om endosymbiont te word. Mettertyd het hulle met die eukariotiese gasheerstelsel geassimileer om chloroplaste te word. Eukariote met chloroplaste het die vermoë verkry om atmosferiese koolstof te bind en het outotrofe geword. Evolusie van koolstofbindende eukariote vanaf die voorvaderlike eukariote was 'n keerpunt in die geskiedenis van lewe op aarde. 

Stikstof word benodig vir organiese sintese van proteïene en nukleïensure, maar die vermoë om atmosferiese stikstof te bind is beperk tot slegs 'n paar prokariote (soos sommige sianobakterieë, clostridia, archaea, ens.). Geen bekende eukariote kan atmosferiese stikstof onafhanklik vasmaak nie. Mutualistiese endosimbiotiese verwantskappe tussen stikstofbindende prokariote en koolstofbindende eukariote wat stikstof nodig het om te groei, word in die natuur gesien. Een so 'n voorbeeld is die vennootskap tussen die sianobakterieë Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) en die eensellige mikroalge Braarudosphaera bigelowii in mariene stelsels.  

In 'n onlangse studie is die endosimbiotiese verwantskap tussen die sianobakterieë Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) en die eensellige mikroalge Braarudosphaera bigelowii ondersoek met behulp van sagte x-straal tomografie. Visualisering van selmorfologie en verdeling van die alge het 'n gekoördineerde selsiklus aan die lig gebring waarin die endosymbiont-sianobakterieë eweredig verdeel het net soos chloroplaste en mitochondria in 'n eukariote verdeel tydens seldeling. Studie van proteïene betrokke by die sellulêre aktiwiteite het aan die lig gebring dat 'n aansienlike fraksie daarvan deur die genoom van alge gekodeer is. Dit het proteïene ingesluit wat noodsaaklik is vir biosintese, selgroei en deling. Hierdie bevindinge dui daarop dat die endosymbiont sianobakterieë nou geïntegreer het met die gasheer sellulêre sisteem en oorgeskakel het van 'n endosymbiont na 'n volwaardige organel van die gasheersel. As gevolg hiervan het die gasheeralgesel die vermoë verkry om atmosferiese stikstof te bind vir sintese van proteïene en nukleïensure wat benodig word vir groei. Die nuwe organel word genoem nitroplast as gevolg van sy stikstofbindende vermoë.  

Dit maak die eensellige mikroalge Braarudosphaera bigelowii die eerste stikstofbindende eukariot.Hierdie ontwikkeling kan implikasies vir landbou en chemiese kunsmisbedryf op die lang termyn.

*** 

Verwysings:  

1. Coale, TH et al. 2024. Stikstofbindende organel in 'n mariene alg. Wetenskap. 11 Apr 2024. Vol 384, Uitgawe 6692 pp. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Massana R., 2024. Die nitroplast: 'n stikstofbindende organel. WETENSKAP. 11 April 2024. Vol 384, Uitgawe 6692. pp. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***