В новаторско откритие учените разкриха първата известна структура в сложни клетки, която е способна да изтегля азот от атмосферата и да го превръща във форма, която клетката може да използва.
Те са нарекли новооткритата клетъчна част „нитропласт“. И според две скорошни проучвания, изследователите смятат, че вероятно е еволюирало преди 100 милиона години.
Нитропластът вероятно се е развил от бактерия в океана, след като микробът е бил погълнат от клетка от водорасли. Преди се смяташе, че бактериите и водораслите живеят в симбиоза, като микробът доставя азот във форма, която водораслите могат да използват, а водораслите осигуряват на микроба дом.
Но се оказва, че микробът е приел нова форма отдавна, превръщайки се в пълноценна клетъчна структура, или органел, с метаболизъм, пряко свързан с този на водораслите.
Свързани: Връща ли се някога еволюцията назад?
„Много рядко се случва органели да се появят от тези видове неща,“ Тайлър Коулпостдокторант в Калифорнийския университет, Санта Круз (UCSC) и водещ автор на едно от двете скорошни проучвания, идентифициращи нитропласта, каза в изявление.
Откритието е едва четвъртият известен пример в историята на Земята за „първична ендосимбиоза“, процес, при който еукариотна клетка — клетка, където ДНК е затворен в ядро, както при всички животни, растения и гъби – поглъща прокариотна клетка, която няма ядро. В този случай еукариотна клетка от водорасли е погълнала прокариотна бактериална клетка.
„Първият път, когато си мислим, че се е случило, това е породило целия сложен живот“, каза Коул, имайки предвид еволюцията на митохондриите, електроцентралите на клетките, преди приблизително 1,5 милиарда години. „Всичко по-сложно от бактериална клетка дължи съществуването си на това събитие.“ Това включва и хората.
Вторият известен случай на ендосимбиоза се е състоял преди приблизително 1 милиард години, давайки началото на хлоропластите, които захранват фотосинтеза, и задействане на еволюцията на растенията. Третото известно събитие може да е довело до по-малко известен органел, известен като хроматофор, изпълнена с пигмент структура в кожата на главоногите, като калмари и октоподи, които позволява им да променят цвета си.
Учените за първи път откриха превърналия се в нитропласт микроб през 1998 г., въпреки че по това време все още не знаеха, че микробът е истински органел.
В тази работа екип, ръководен от Джонатан Зер, изтъкнат професор по морски науки в UCSC и водещ автор на второто скорошно проучване, възстанови кратка ДНК последователност на микроба от морската вода на Тихия океан. Zehr и колегите му установиха, че ДНК принадлежи на азотфиксираща цианобактерия, която те нарекоха UCYN-A. (Азотфиксирането се отнася до процеса на трансформиране на азота в използваема форма за клетките.)
Откритието съвпадна с работата в университета Кочи в Япония, където учените измислиха как да култивират водораслите, които носят UCYN-A в лабораторията. Това позволи на Zehr и сътрудниците да сравнят размера на UCYN-A в различни видове от тези водорасли, които принадлежат към сродна група, наречена Braarudosphaera bigelowii.
Изследователите публикуваха тази работа на 28 март в списанието клетка, съобщавайки, че растежът на UCYN-A и неговите клетки гостоприемници са синхронизирани и контролирани от обмена на хранителни вещества. Това е „точно това, което се случва с органелите“, каза Zehr в изявлението. „Ако погледнете митохондриите и хлоропласта, това е едно и също нещо: те се мащабират с клетката.“
За да потвърди тези резултати, Zehr и допълнителни изследователи проведоха второ проучване, което беше публикувано на 11 април в списанието Наука. Резултатите от него показват, че UCYN-A внася протеини от клетката си гостоприемник, което предполага, че бившият микроб е изоставил някои от клетъчните си машини, разчитайки вместо това на своя гостоприемник да функционира. С други думи, някогашната бактерия се е превърнала в зъбно колело в машината на своя гостоприемник.
„Това е един от отличителните белези на нещо, което се движи от ендосимбионт към органела“, каза Зер. „Те започват да изхвърлят части от ДНК и техните геноми стават все по-малки и по-малки и те започват да зависят от майчината клетка за тези генни продукти – или самия протеин – да бъдат транспортирани в клетката.“
UCYN-A също се репликира едновременно с клетката си гостоприемник и се наследява като други органели, запечатвайки откриването на нитропласта, според изявлението.