Wissenschaftler haben das erste stickstofffixierende Organell entdeckt

Moderne Biologielehrbücher behaupten, dass nur Bakterien in der Lage sind, Stickstoff aus der Atmosphäre aufzunehmen und in eine lebenswerte Form umzuwandeln. Pflanzen, die Stickstoff binden, wie zum Beispiel Hülsenfrüchte, tun dies, indem sie in ihren Wurzelknollen symbiotische Bakterien beherbergen. Doch die neueste Entdeckung stellt diese Regel auf den Kopf.

In zwei aktuellen Veröffentlichungen beschreibt ein internationales Wissenschaftlerteam das erste bekannte stickstofffixierende Organell im Inneren einer eukaryotischen Zelle. Die Organelle ist das vierte Beispiel in der Geschichte der primären Endosymbiose – dem Prozess, bei dem eine prokaryotische Zelle von einer eukaryotischen Zelle verschlungen wird und sich über die Symbiose hinaus zu einer Organelle entwickelt.

„Es kommt sehr selten vor, dass aus solchen Dingen Organellen entstehen“, sagte Tyler Cole, Postdoktorand an der UC Santa Cruz und Erstautor einer von zwei kürzlich erschienenen Arbeiten. „Als wir das erste Mal dachten, dass dies geschehen würde, entstanden alle komplexen Lebensformen. Alles, was komplexer als eine Bakterienzelle ist, verdankt seine Existenz diesem Ereignis“, sagte er und bezog sich dabei auf die Entstehung der Mitochondrien. „Vor etwa einer Milliarde Jahren passierte das erneut mit Chloroplasten, und das brachte uns Pflanzen“, sagte Cole.

Ein drittes bekanntes Beispiel betrifft eine Chloroplasten-ähnliche Mikrobe. Die neueste Entdeckung ist das erste Beispiel einer stickstofffixierenden Organelle, die Forscher Nitroplasten nennen.

Ein jahrzehntealtes Geheimnis

Die Entdeckung der Organelle erforderte etwas Glück und jahrzehntelange Arbeit. Im Jahr 1998 fand Jonathan Zehr, ein angesehener Professor für Meereswissenschaften an der University of California in Santa Cruz, eine kurze DNA-Sequenz von scheinbar unbekannten stickstofffixierenden Cyanobakterien im pazifischen Meerwasser. Zahr und seine Kollegen haben jahrelang das mysteriöse Objekt untersucht, das sie UCYN-A nannten.

Unterdessen versuchte Kyoko Hagino, eine Paläontologin an der Kochi-Universität in Japan, aktiv, Algen zu kultivieren. Es stellte sich heraus, dass es sich um den Wirtsorganismus von UCYN-A handelte. Es dauerte mehr als 300 Probenahmeexpeditionen und mehr als ein Jahrzehnt, aber Hagino gelang es schließlich, die Algen in Kultur zu züchten, was es anderen Forschern ermöglichte, gemeinsam im Labor mit der Untersuchung von UCYN-A und seinem Meeresalgenwirt zu beginnen.

Viele Jahre lang betrachteten Wissenschaftler UCYN-A als einen Endosymbionten, der eng mit Algen verwandt ist. Die beiden jüngsten Arbeiten deuten jedoch darauf hin, dass sich UCYN-A gemeinsam mit seinem früheren symbiotischen Wirt entwickelt hat und nun die Kriterien für eine Organelle erfüllt.

Biologischer Ursprung

In einem Artikel veröffentlicht in Zelle Im März 2024 zeigten Zahr und Kollegen vom MIT, dem Instituto de Ciencia Barcelona und der University of Rhode Island, dass das Volumenverhältnis zwischen UCYN-A und ihren Algenwirten bei verschiedenen Arten mariner Euphytenalgen ähnlich ist. Prarodosphaera bigeloi.

Mithilfe eines Modells zeigen die Forscher, dass das Wirtszellwachstum und UCYN-A durch den Austausch von Nährstoffen gesteuert werden. Ihre Stoffwechselprozesse hängen zusammen. Diese Synchronisierung der Wachstumsraten führte dazu, dass Forscher UCYN-A als „organellenähnlich“ bezeichneten.

„Genau das passiert mit Organellen“, sagte Zahr. „Wenn man Mitochondrien und Chloroplasten betrachtet, ist es dasselbe: Sie dehnen sich mit der Zelle aus.“

Aber Wissenschaftler nannten UCYN-A erst dann überzeugend eine Organelle, wenn sie andere Beweise bestätigten. Im Titelartikel Aus dem Magazin WissenschaftenIn der heute veröffentlichten Studie sind Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak von der University of California, Santa Cruz, und Mitarbeiter der University of California, San Francisco, des Lawrence Berkeley National Laboratory, der National Taiwan Ocean University und Kochi vertreten Universität in Japan. UCYN-A importiert Proteine ​​aus seinen Wirtszellen.

„Dies ist eines der Kennzeichen dafür, dass sich etwas von einem Endosymbionten zu einer Organelle entwickelt“, sagte Zahr. „Sie beginnen, DNA-Stücke loszuwerden, ihr Genom wird immer kleiner und sie verlassen sich darauf, dass die Mutterzelle diese Genprodukte – oder das Protein selbst – in die Zelle transportiert.“

Cole arbeitete an Proteinen, um sie zu untersuchen. Er verglich die im isolierten UCYN-A gefundenen Proteine ​​mit denen der gesamten Algenwirtszelle. Er fand heraus, dass die Wirtszelle Proteine ​​herstellt und sie mit einer spezifischen Aminosäuresequenz markiert, die der Zelle sagt, sie an den Nitroplasten zu senden. Der Nitroblast importiert und nutzt dann die Proteine. Cole identifizierte die Funktion einiger Proteine, die Lücken in bestimmten Signalwegen innerhalb von UCYN-A schließen.

„Es ist wie ein magisches Puzzle, das zusammenpasst und zusammenarbeitet“, sagte Zahr.

In derselben Arbeit zeigten Forscher der University of California in San Francisco, dass sich UCYN-A in Verbindung mit der Algenzelle repliziert und wie andere Organellen vererbt wird.

Perspektiven wechseln

Diese unabhängigen Beweislinien lassen keinen Zweifel daran, dass UCYN-A die Rolle des Symbionten überschritten hat. Während sich Mitochondrien und Chloroplasten vor Milliarden von Jahren entwickelten, scheinen sich Nitrogenoplasten vor etwa 100 Millionen Jahren entwickelt zu haben, was Wissenschaftlern eine neue, modernere Perspektive auf die Organellenbildung bietet.

Die Organelle bietet auch Einblicke in die Ökosysteme der Ozeane. Alle lebenden Organismen benötigen Stickstoff in biologisch verwertbarer Form, und UCYN-A ist weltweit wichtig für seine Fähigkeit, Stickstoff aus der Atmosphäre zu binden. Forscher haben es überall von den Tropen bis zum Arktischen Ozean gefunden und es bindet große Mengen Stickstoff.

„Er ist nicht nur ein weiterer Spieler“, sagte Zehr.

Diese Entdeckung hat auch das Potenzial, die Landwirtschaft zu verändern. Die Fähigkeit, Ammoniakdünger aus Luftstickstoff herzustellen, ermöglichte der Landwirtschaft – und der Weltbevölkerung – zu Beginn des 20. Jahrhunderts einen Aufschwung. Dieses Verfahren ist als Haber-Bosch-Verfahren bekannt und ermöglicht die Produktion von etwa 50 % der weltweiten Nahrungsmittel. Außerdem produzieren sie große Mengen Kohlendioxid: Etwa 1,4 % der weltweiten Emissionen stammen aus diesem Prozess. Seit Jahrzehnten versuchen Forscher, einen Weg zu finden, die natürliche Stickstofffixierung in die Landwirtschaft zu integrieren.

„Dieses System bietet eine neue Perspektive auf die Stickstofffixierung und könnte Hinweise darauf liefern, wie man ein solches Organell in Nutzpflanzen einbauen kann“, sagte Cole.

Doch viele Fragen zu UCYN-A und seinem Algenwirt bleiben unbeantwortet. Die Forscher planen, tiefer in die Funktionsweise von UCYN-A und Algen einzutauchen und verschiedene Stämme zu untersuchen.

Kendra Turk-Cobo, Assistenzprofessorin an der UC Santa Cruz, wird die Forschung in ihrem neuen Labor fortsetzen. Zahr geht davon aus, dass Wissenschaftler weitere Organismen mit ähnlichen Evolutionsgeschichten wie UCYN-A finden werden, aber als erste ihrer Art ist diese Entdeckung eine für die Lehrbücher.