کتاب‌های درسی زیست‌شناسی مدرن ادعا می‌کنند که فقط باکتری‌ها می‌توانند نیتروژن را از اتمسفر گرفته و آن را به شکل قابل استفاده برای زندگی تبدیل کنند. گیاهانی که نیتروژن را تثبیت می کنند، مانند حبوبات، این کار را با نگهداری باکتری های همزیست در گره های ریشه انجام می دهند. اما یک کشف اخیر این قانون را تغییر داده است.

در دو مقاله اخیر، یک تیم بین المللی از دانشمندان اولین اندامک ثابت کننده نیتروژن شناخته شده را در یک سلول یوکاریوتی توصیف کردند. اندامک چهارمین نمونه در تاریخ اندوسیمبیوز اولیه است – فرآیندی که طی آن یک سلول پروکاریوتی توسط یک سلول یوکاریوتی غرق می شود و فراتر از همزیستی به یک اندامک تبدیل می شود.

تایلر کول، محقق فوق دکترا در این زمینه می گوید: «بسیار نادر است که اندامک ها از این نوع چیزها به وجود بیایند. UC سانتا کروز و اولین نویسنده یکی از دو مقاله اخیر. اولین باری که فکر می‌کنیم این اتفاق افتاد، زندگی پیچیده‌ای را به وجود آورد. او با اشاره به منشا میتوکندری گفت: هر چیزی پیچیده‌تر از یک سلول باکتریایی وجود خود را مدیون این رویداد است. کول می‌گوید: «حدود یک میلیارد سال پیش، این اتفاق دوباره برای کلروپلاست رخ داد و به ما گیاهان داد.

سومین مورد شناخته شده مربوط به یک میکروب کلروپلاست مانند بود. آخرین کشف اولین نمونه از اندامک تثبیت کننده نیتروژن است که محققان آن را نیتروپلاست می نامند.

یک راز ده ساله

کشف اندامک مستلزم کمی شانس و چندین دهه کار بود. در سال 1998، جاناتان زهر، استاد برجسته علوم دریایی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، یک نمونه کوتاه کشف کرد. DNA دنباله ای از آنچه به نظر می رسد از یک سیانوباکتری ناشناخته تثبیت کننده نیتروژن در آب دریای اقیانوس آرام است. زهر و همکارانش سال‌ها روی این ارگانیسم مرموز مطالعه کردند که آن را UCYN-A نامیدند.

در همان زمان، کیوکو هاگینو، دیرینه شناس دانشگاه کوچی ژاپن، با پشتکار در تلاش بود تا جلبک دریایی را پرورش دهد. معلوم شد که یک ارگانیسم میزبان برای UCYN-A است. بیش از 300 نمونه برداری و بیش از یک دهه طول کشید، اما هاگینو در نهایت با موفقیت این جلبک را در فرهنگ پرورش داد و به سایر محققان اجازه داد تا مطالعه UCYN-A و میزبان جلبک دریایی آن را با هم در آزمایشگاه آغاز کنند.

برای سال‌ها، دانشمندان UCYN-A را یک همزیستی درونی می‌دانستند که ارتباط نزدیکی با جلبک دارد. اما دو مقاله اخیر نشان می دهد که UCYN-A با میزبان خود در همزیستی گذشته تکامل یافته است و اکنون معیارهای یک اندامک را برآورده می کند.

منشا اندامک ها

در مقاله ای که در سلول در ماه مارس، Zehr و همکارانش از MIT، Institut de Ciències del Mar در بارسلونا و دانشگاه رود آیلند نشان دادند که نسبت اندازه بین UCYN-A و میزبان جلبکی آنها در موارد مختلف مشابه است. انواع جلبک های هاپتوفیت دریایی Braaudosphaera bigelowii.

محققان از مدلی استفاده کردند تا نشان دهند که رشد سلول میزبان و UCYN-A توسط تبادل مواد مغذی کنترل می شود. متابولیسم آنها مرتبط است. این هماهنگی در نرخ رشد باعث شد که محققان UCYN-A را “ارگانل مانند” بخوانند.

زهر گفت: «این دقیقاً همان چیزی است که در مورد اندامک ها اتفاق می افتد. “اگر به میتوکندری ها و کلروپلاست ها نگاه کنید، یکسان است: آنها با سلول مقیاس می شوند.”

اما دانشمندان با اطمینان UCYN-A را اندامک نامیدند تا زمانی که سایر شواهد را تأیید نکردند. در مقاله روی جلد مجله علوم پایهZehr، Coale، Kendra Turk-Kubo، و Wing Kwan Esther Mak از UC Santa Cruz و همکاران در UC San Francisco، Lawrence Berkeley National Laboratory، National Ocean University، و دانشگاه Kochi در ژاپن نشان می دهند که UCYN-A پروتئین ها را از میزبان خود وارد می کند. سلول ها.

زهر گفت: «این یکی از نشانه های حرکت چیزی از درون همزیستی به اندامک است. آنها شروع به ریختن تکه‌هایی از DNA می‌کنند و ژنوم‌هایشان کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود، و بسته به سلول مادر برای انتقال آن محصولات ژنی – یا خود پروتئین – به داخل سلول شروع می‌شوند.

تایلر کول روی پروتئومیکس برای این مطالعه کار کرد. او پروتئین های موجود در UCYN-A جدا شده را با پروتئین های موجود در کل سلول میزبان جلبک مقایسه کرد. او کشف کرد که سلول میزبان پروتئین تولید می کند و آنها را با یک آمینو خاص برچسب گذاری می کند اسید دنباله ای که به سلول می گوید آنها را به نیتروپلاست بفرستد. سپس نیتروپلاست پروتئین ها را وارد کرده و از آنها استفاده می کند. کوال عملکرد برخی از پروتئین ها را شناسایی کرد و آنها شکاف های مسیرهای خاصی را در UCYN-A پر می کنند.

زهر گفت: «این یک جورهایی مانند این پازل جادویی است که در واقع با هم جمع می‌شود و کار می‌کند.

در همین مقاله، محققان UCSF نشان می‌دهند که UCYN-A همگام با سلول جلبکی تکثیر می‌شود و مانند سایر اندامک‌ها به ارث می‌رسد.

تغییر دیدگاه

این خطوط مستقل شواهد شکی باقی نمی‌گذارند که UCYN-A از نقش یک همزیست پیشی گرفته است. و در حالی که میتوکندری ها و کلروپلاست ها میلیاردها سال پیش تکامل یافته اند، به نظر می رسد که نیتروپلاست حدود 100 میلیون سال پیش تکامل یافته است که به دانشمندان دیدگاه جدیدتر و جدیدتری در مورد اندام زایی می دهد.

اندامک همچنین بینشی در مورد اکوسیستم های اقیانوسی ارائه می دهد. همه موجودات زنده به نیتروژن به شکل قابل استفاده بیولوژیکی نیاز دارند و UCYN-A به دلیل توانایی آن در تثبیت نیتروژن از جو در سطح جهانی مهم است. محققان آن را در همه جا از مناطق استوایی گرفته تا اقیانوس منجمد شمالی یافته اند و مقدار قابل توجهی نیتروژن را برطرف می کند.

زهر گفت: «این فقط یک بازیکن دیگر نیست.

این کشف همچنین پتانسیل تغییر کشاورزی را دارد. توانایی سنتز کودهای آمونیاکی از نیتروژن اتمسفر باعث شد تا کشاورزی – و جمعیت جهان – در اوایل قرن بیستم رشد کنند. این فرآیند که به عنوان فرآیند هابر-بوش شناخته می شود، حدود 50 درصد از تولید مواد غذایی در جهان را ممکن می کند. همچنین مقادیر زیادی دی اکسید کربن ایجاد می کند: حدود 1.4٪ از انتشار جهانی از این فرآیند ناشی می شود. برای دهه‌ها، محققان در تلاش بوده‌اند راهی برای تثبیت نیتروژن طبیعی در کشاورزی بیابند.

کول گفت: «این سیستم دیدگاه جدیدی در مورد تثبیت نیتروژن است و ممکن است سرنخ هایی در مورد اینکه چگونه چنین اندامکی را می توان در گیاهان زراعی مهندسی کرد، ارائه دهد.

اما بسیاری از سوالات در مورد UCYN-A و میزبان جلبکی آن بی پاسخ مانده است. محققان قصد دارند تا در مورد چگونگی عملکرد UCYN-A و جلبک ها و بررسی گونه های مختلف تحقیق کنند.

کندرا ترک-کوبو، استادیار دانشگاه سانتا کروز، تحقیقات را در آزمایشگاه جدید خود ادامه خواهد داد. Zehr انتظار دارد که دانشمندان موجودات دیگری را با تاریخچه تکاملی مشابه UCYN-A کشف کنند، اما به عنوان اولین در نوع خود، این کشف برای کتاب های درسی است.

منابع: “معادل متابولیک نسبت اندازه سلول را در یک همزیستی تثبیت کننده نیتروژن محدود می کند” توسط Francisco M. Cornejo-Castillo، Keisuke Inomura، Jonathan P. Zehr و Michael J. Follows، 11 مارس 2024، سلول.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016

«ارگانل‌های تثبیت‌کننده نیتروژن در جلبک‌های دریایی» نوشته تایلر اچ کول، والنتینا لوکونته، کندرا آ. تورک-کوبو، بیکی وانسلمبروک، وینگ کوان استر مک، شونیان چونگ، اکسل اکمن، جیان‌هوا چن، کیوکو هاگینو، یوشیهیتو تاکورو نیشیمورا، ماسائو آداچی، مارک لو گروس، کارولین لارابل، و جاناتان پی زهر، 11 آوریل 2024، علوم پایه.
DOI: 10.1126/science.adk1075