کشف سلول تثبیت کننده نیتروژن- اندامک نیتروپلاست در جلبک یوکاریوتی   

بیوسنتز از پروتئین ها و اسید نوکلئیک نیاز نیتروژن با این حال نیتروژن اتمسفر در دسترس نیست یوکاریوت ها برای سنتز آلی فقط تعداد کمی از پروکاریوت ها (مانند سیانوباکتریوم, کلستریدیا, archea و غیره) توانایی تثبیت نیتروژن مولکولی به وفور در دسترس را دارند جو. مقداری تثبیت نیتروژن باکتری در داخل سلول های یوکاریوتی در رابطه همزیستی به عنوان درون همزیستی زندگی می کنند. به عنوان مثال، سیانوباکتری ها کاندیداوس آتلوسیانوباکتریوم تالاسا (UCYN-A) همزیستی درونی ریزجلبک های تک سلولی است. Braaudosphaera bigelowii در سیستم های دریایی تصور می شود که چنین پدیده طبیعی نقش مهمی در تکامل یوکاریوتی داشته است سلول اندامک‌ها میتوکندری و کلروپلاست از طریق ادغام باکتری‌های درون همزیستی به سلول یوکاریوتی. در مطالعه‌ای که اخیراً منتشر شده است، محققان دریافتند که سیانوباکتریUCYN-A” از نزدیک با ریزجلبک های یوکاریوتی ادغام شده بود Braaudosphaera bigelowii و از درون همزیستی به اندامک سلول یوکاریوتی تثبیت کننده نیتروژن به نام نیتروپلاست تکامل یافت. این باعث ایجاد ریزجلبک شد Braaudosphaera bigelowii اولین یوکاریوت تثبیت کننده نیتروژن شناخته شده این کشف عملکرد تثبیت نیتروژن اتمسفر را از پروکاریوت ها به یوکاریوت ها گسترش داده است.  

همزیستی، یعنی موجودات گونه های مختلف که زیستگاه مشترک دارند و با هم زندگی می کنند، یک پدیده طبیعی رایج است. شرکای رابطه همزیستی ممکن است از یکدیگر منتفع شوند (تقابل گرایی)، یا ممکن است یکی از آنها منتفع شود در حالی که دیگری بی پیرایه بماند (کامنسالیسم) یا یکی سود کند در حالی که دیگری آسیب ببیند (انگلی). رابطه همزیستی زمانی که یک ارگانیسم در داخل دیگری زندگی می کند، به عنوان مثال، یک سلول پروکاریوتی در داخل یک سلول یوکاریوتی زندگی می کند، اندوسیمبیوز نامیده می شود. سلول پروکاریوتی در چنین شرایطی اندوسیمبیونت نامیده می شود.  

اندوسیمبیوز (یعنی درونی‌سازی پروکاریوت‌ها توسط یک سلول یوکاریوتی اجدادی) نقش مهمی در تکامل میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها، سلول‌ارگانل‌های مشخصه سلول‌های یوکاریوتی پیچیده‌تر، که در تکثیر اشکال زندگی یوکاریوتی نقش داشتند، ایفا کرد. تصور می‌شود که یک پروتئوباکتری هوازی وارد سلول یوکاریوتی اجدادی شده است تا در زمانی که محیط به طور فزاینده‌ای غنی از اکسیژن می‌شد، به درون همزیستی تبدیل شود. توانایی پروتئوباکتری endosymbiont برای استفاده از اکسیژن برای تولید انرژی به یوکاریوت میزبان اجازه داد تا در محیط جدید رشد کند در حالی که یوکاریوت های دیگر به دلیل فشار انتخاب منفی که توسط محیط غنی از اکسیژن جدید تحمیل شده بود منقرض شدند. در نهایت، پروتئوباکتری با سیستم میزبان ادغام شد و به یک میتوکندری تبدیل شد. به طور مشابه، برخی از سیانوباکتری‌های فتوسنتزکننده وارد یوکاریوت‌های اجدادی شدند تا به درون همزیستی تبدیل شوند. در زمان مناسب، آنها با سیستم میزبان یوکاریوتی جذب شدند تا به کلروپلاست تبدیل شوند. یوکاریوت ها با کلروپلاست توانایی تثبیت کربن اتمسفر را به دست آوردند و تبدیل به اتوتروف شدند. تکامل یوکاریوت های تثبیت کننده کربن از یوکاریوت های اجدادی نقطه عطفی در تاریخ زندگی بر روی زمین بود. 

نیتروژن برای سنتز آلی پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک مورد نیاز است، اما توانایی تثبیت نیتروژن اتمسفر فقط به تعداد کمی از پروکاریوت ها (مانند برخی از سیانوباکترها، کلستریدیا، آرکیا و غیره) محدود می شود. هیچ یوکاریوت شناخته شده ای نمی تواند به طور مستقل نیتروژن اتمسفر را تثبیت کند. روابط درون همزیستی متقابل بین پروکاریوت های تثبیت کننده نیتروژن و یوکاریوت های تثبیت کننده کربن که برای رشد به نیتروژن نیاز دارند در طبیعت دیده می شود. یکی از این موارد مشارکت بین سیانوباکتری Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) و ریزجلبک تک سلولی Braarudosphaera bigelowii در سیستم های دریایی است.  

در یک مطالعه اخیر، رابطه درون همزیستی بین سیانوباکتری Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) و ریزجلبک تک سلولی Braarudosphaera bigelowii با استفاده از توموگرافی اشعه ایکس نرم مورد بررسی قرار گرفت. تجسم مورفولوژی سلولی و تقسیم جلبک، یک چرخه سلولی هماهنگ را نشان داد که در آن سیانوباکترهای درون همزیستی به طور مساوی تقسیم می‌شوند، درست به همان صورتی که کلروپلاست‌ها و میتوکندری‌ها در یوکاریوت در طول تقسیم سلولی تقسیم می‌شوند. مطالعه پروتئین‌های درگیر در فعالیت‌های سلولی نشان داد که بخش قابل‌توجهی از آنها توسط ژنوم جلبک‌ها کدگذاری شده‌اند. این شامل پروتئین های ضروری برای بیوسنتز، رشد سلولی و تقسیم بود. این یافته‌ها نشان می‌دهد که سیانوباکتری‌های درون همزیستی از نزدیک با سیستم سلولی میزبان ادغام شده و از درون همزیستی به یک اندامک کامل سلول میزبان تبدیل شده‌اند. در نتیجه، سلول جلبک میزبان توانایی تثبیت نیتروژن اتمسفر را برای سنتز پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک مورد نیاز برای رشد به دست آورد. اندامک جدید نامگذاری شده است نیتروپلاست به دلیل توانایی تثبیت نیتروژن آن.  

این باعث ایجاد ریزجلبک های تک سلولی می شود Braaudosphaera bigelowii اولین یوکاریوت تثبیت کننده نیتروژن. این توسعه ممکن است پیامدهایی برای کشاورزی و صنعت کودهای شیمیایی در دراز مدت.

*** 

منابع:  

1. کوئل، تی و همکاران 2024. اندامک تثبیت کننده نیتروژن در یک جلبک دریایی. علوم پایه. 11 Apr 2024. ج 384، ش 6692 ص 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. ماسانا آر.، 2024. نیتروپلاست: اندامک تثبیت کننده نیتروژن. علوم پایه. 11 آوریل 2024. ج 384، ش 6692. ص 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***