Wetenschappers hebben het eerste stikstofbindende organel ontdekt

Moderne biologieboeken beweren dat alleen bacteriën in staat zijn stikstof uit de atmosfeer te halen en om te zetten in een bewoonbare vorm. Planten die stikstof vastleggen, zoals peulvruchten, doen dit door symbiotische bacteriën in hun wortelknolletjes te huisvesten. Maar de nieuwste ontdekking zet deze regel op zijn kop.

In twee recente artikelen beschrijft een internationaal team van wetenschappers het eerste bekende stikstofbindende organel in een eukaryotische cel. Het organel is het vierde voorbeeld in de geschiedenis van primaire endosymbiose: het proces waarbij een prokaryotische cel wordt overspoeld door een eukaryotische cel en na de symbiose evolueert naar een organel.

“Het komt zeer zelden voor dat organellen uit dit soort dingen voortkomen”, zegt Tyler Cole, een postdoctoraal onderzoeker aan de UC Santa Cruz en eerste auteur van een van de twee recente artikelen. “De eerste keer dat we dachten dat dit gebeurde, leidde dit tot het ontstaan ​​van alle complexe levensvormen. Alles dat complexer is dan een bacteriële cel dankt zijn bestaan ​​aan deze gebeurtenis”, zei hij, verwijzend naar de oorsprong van de mitochondriën. “Ongeveer een miljard jaar geleden gebeurde dat opnieuw met bladgroenkorrels, en dat leverde ons planten op,” zei Cole.

Een derde bekend voorbeeld betreft een chloroplastachtige microbe. De nieuwste ontdekking is het eerste voorbeeld van een stikstofbindend organel, dat onderzoekers een nitroplast noemen.

Een decennia oud mysterie

Het ontdekken van het organel vergde een beetje geluk en tientallen jaren werk. In 1998 vond Jonathan Zahr, een vooraanstaande professor in de mariene wetenschappen aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, een korte DNA-sequentie van wat leek te zijn van een onbekende stikstofbindende cyanobacteriën in het zeewater van de Stille Oceaan. Zahr en zijn collega's hebben jarenlang het mysterieuze object bestudeerd, dat ze UCYN-A noemden.

Ondertussen probeerde Kyoko Hagino, een paleontoloog aan de Kochi Universiteit in Japan, actief zeewier te kweken. Het bleek het gastheerorganisme van UCYN-A te zijn. Het kostte meer dan 300 bemonsteringsexpedities en meer dan een decennium, maar Hagino slaagde er uiteindelijk in de algen in cultuur te laten groeien, waardoor andere onderzoekers UCYN-A en zijn zeealgengastheer samen in het laboratorium konden gaan bestuderen.

Jarenlang beschouwden wetenschappers UCYN-A als een endosymbiont die nauw verwant was aan algen. Maar de twee recente artikelen suggereren dat UCYN-A samen met zijn voormalige symbiotische gastheer is geëvolueerd en nu voldoet aan de criteria voor een organel.

Biologische oorsprong

In een artikel gepubliceerd in cel In maart 2024 toonden Zahr en collega's van MIT, het Instituto de Ciencia de Barcelona en de Universiteit van Rhode Island aan dat de volumeverhouding tussen UCYN-A en hun algengastheren vergelijkbaar is bij verschillende soorten mariene eufytenalgen. Prarodosphaera bigeloi.

De onderzoekers gebruiken een model om aan te tonen dat de groei van gastheercellen en UCYN-A worden gecontroleerd door de uitwisseling van voedingsstoffen. Hun metabolische processen zijn gerelateerd. Deze synchronisatie in groeicijfers bracht onderzoekers ertoe UCYN-A ‘organelachtig’ te noemen.

“Dit is precies wat er gebeurt met organellen,” zei Zahr. “Als je naar mitochondria en chloroplasten kijkt, zijn ze hetzelfde: ze breiden uit met de cel.”

Maar wetenschappers noemden UCYN-A pas vol vertrouwen een organel toen ze ander bewijsmateriaal bevestigden. In de Omslagartikel Uit het tijdschrift Wetenschappen, vandaag gepubliceerd, bevat Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak van de University of California, Santa Cruz, en medewerkers van de University of California, San Francisco, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Taiwan Ocean University en Kochi Universiteit in Japan. UCYN-A importeert eiwitten uit zijn gastheercellen.

“Dit is een van de kenmerken van iets dat van een endosymbiont naar een organel gaat”, zegt Zahr. “Ze beginnen stukjes DNA kwijt te raken, hun genoom wordt steeds kleiner en ze gaan erop vertrouwen dat de moedercel die genproducten – of het eiwit zelf – de cel in brengt.”

Cole werkte aan eiwitten om te bestuderen. Hij vergeleek de eiwitten gevonden in het geïsoleerde UCYN-A met die gevonden in de gehele algengastheercel. Hij ontdekte dat de gastheercel eiwitten maakt en deze labelt met een specifieke aminozuursequentie, die de cel vertelt ze naar de nitroplast te sturen. De nitroblast importeert en gebruikt vervolgens de eiwitten. Cole identificeerde de functie van sommige eiwitten, die gaten in specifieke routes binnen UCYN-A opvullen.

“Het is een soort magische puzzel die in elkaar past en samenwerkt”, zei Zahr.

In hetzelfde artikel toonden onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Francisco aan dat UCYN-A repliceert in combinatie met de algencel en net als andere organellen wordt geërfd.

Verander perspectieven

Deze onafhankelijke bewijzen laten er geen twijfel over bestaan ​​dat UCYN-A de rol van symbiont heeft overstegen. Terwijl mitochondriën en chloroplasten miljarden jaren geleden zijn geëvolueerd, lijken stikstofoplasten ongeveer 100 miljoen jaar geleden te zijn geëvolueerd, waardoor wetenschappers een nieuw, moderner perspectief op de vorming van organellen hebben gekregen.

Het organel geeft ook inzicht in oceaanecosystemen. Alle levende organismen hebben stikstof nodig in een biologisch bruikbare vorm, en UCYN-A is mondiaal belangrijk vanwege zijn vermogen om stikstof uit de atmosfeer te binden. Onderzoekers hebben het overal gevonden, van de tropen tot de Noordelijke IJszee, en het legt een grote hoeveelheid stikstof vast.

“Hij is niet zomaar een speler”, zei Zehr.

Deze ontdekking heeft ook het potentieel om de landbouw te veranderen. Dankzij het vermogen om ammoniakmeststoffen te maken uit stikstof uit de lucht, kon de landbouw – en de wereldbevolking – aan het begin van de twintigste eeuw een grote vlucht nemen. Dit proces staat bekend als het Haber-Bosch-proces en maakt de productie van ongeveer 50% van het voedsel in de wereld mogelijk. Ze produceren ook enorme hoeveelheden kooldioxide: ongeveer 1,4% van de mondiale uitstoot is afkomstig van dit proces. Decennia lang hebben onderzoekers geprobeerd een manier te vinden om natuurlijke stikstofbinding in de landbouw te integreren.

“Dit systeem is een nieuw perspectief op stikstoffixatie en kan aanwijzingen geven over hoe je zo'n organel in landbouwgewassen kunt verwerken”, aldus Cole.

Maar veel vragen over UCYN-A en zijn algengastheer blijven onbeantwoord. De onderzoekers zijn van plan dieper in te gaan op de werking van UCYN-A en algen en verschillende soorten te bestuderen.

Kendra Turk-Cobo, assistent-professor aan UC Santa Cruz, zal het onderzoek voortzetten in haar nieuwe laboratorium. Zahr verwacht dat wetenschappers andere organismen zullen vinden met vergelijkbare evolutionaire verhalen als UCYN-A, maar als eerste in zijn soort is deze ontdekking er één voor in de leerboeken.