Evolution in Aktion? Neue Studie findet Möglichkeit stickstofffixierender Organellen

Stickstoff ist ein essentieller Nährstoff für alles Leben auf der Erde. Obwohl Stickstoffgas (N2) reichlich vorhanden ist, ist es für die meisten Organismen ohne einen Prozess namens Stickstofffixierung, der Distickstoff in Ammonium umwandelt – eine wichtige anorganische Stickstoffquelle – weitgehend nicht verfügbar.

Während es Bakterien gibt, die in der Lage sind, Distickstoff zu Ammonium zu reduzieren, haben Forscher der University of Rhode Island, des Institut de Ciències del Mar in Barcelona, ​​der University of California in Santa Cruz und des Massachusetts Institute of Technology stickstofffixierende symbiotische Organismen entdeckt, die Verhaltensweisen zeigen ähnlich wie Organellen. Tatsächlich gehen Forscher davon aus, dass diese symbiotischen Organismen – UCYN-A, eine Art von Cyanobakterien – möglicherweise organellenähnliche Eigenschaften entwickeln.

Ihre Studie war vor kurzem veröffentlicht im Tagebuch Zelle.

UCYN-A leben in einer symbiotischen Beziehung mit einer eng verwandten Gruppe von Meeresalgen, B. bigelowii, in Gebieten des offenen Ozeans, die oft nährstoffarm sind. Die meisten stickstofffixierenden Bakterien verfügen über Mechanismen zur Regulierung des Distickstoffverbrauchs, wenn feste Stickstoffquellen verfügbar sind, was die hohen Energiekosten dieses Prozesses verringert. Allerdings haben UCYN-A die Gene verloren, die dies ermöglichen, und sind in der Lage, Stickstoffgas selbst in nährstoffreichen Umgebungen in Ammonium zu binden. Der Wirt wiederum versorgt ihn mit Kohlenstoff, der durch seine Chloroplasten photosynthetisch fixiert wird.

Die Studie beschreibt detailliert, wie Forscher eine Größenbeziehung zwischen UCYN-A und ihren symbiotischen Partnerzellen fanden – im Einklang mit den Größenbeziehungen zwischen anderen Organellen und ihren Wirten. Wenn Organellen größer werden, werden auch ihre Wirtszellen größer – und schließlich teilen und replizieren sie sich. Mathematische Modellierungen enthüllten die metabolischen Kompromisse, die die relative Zellgröße durch Nährstoffaufnahme und -austausch regulieren.

„Es erfordert viel Energie und Elektronen, um Stickstoffgas zu fixieren und daraus etwas Nützliches zu machen“, sagte Keisuke Inomura, Assistenzprofessor für Ozeanographie an der Graduate School of Oceanography des URI und einer der Hauptautoren der Studie. „Wenn sich UCYN-A auf dem evolutionären Weg in Richtung stickstofffixierender Organellen fortbewegt und wir feststellen, dass neben B. bigelowii auch Zellen über solche Organellen verfügen oder sich ähnlich entwickeln, könnte dies bahnbrechend sein.“

Während Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten im Evolutionsspektrum viel weiter fortgeschritten sind, behaupten Forscher, dass das, was sie sehen, eine Momentaufnahme des Evolutionsprozesses von aus Bakterien stammenden Organellen sein könnte, die Stickstoff fixieren.

„Unsere Studie konzentriert sich auf eine viel jüngere symbiotische Beziehung, die vor etwa 100 Millionen Jahren entstand und es uns ermöglicht, die Entwicklung der Organellenbildung in ihren frühen Stadien zu untersuchen“, erklärte Francisco Cornejo, Co-Hauptautor und Postdoktorand in der Abteilung für Meereswissenschaften Biologie und Ozeanographie am Institut de Ciències del Mar.

Die Forscher weisen jedoch darauf hin, dass weitere Studien erforderlich sind, um zu beweisen, ob dies der Fall ist.

„Das überraschend enge Größenverhältnis zwischen UCYN-A und seinem Wirt lässt sich durch die Ressourcenökonomie der Partner erklären. Es deutet darauf hin, dass UCYN-A möglicherweise auf dem Weg ist, eine Organelle zu werden: Ob dies möglicherweise bereits der Fall ist, ist Gegenstand der Frage.“ laufende Forschung“, sagte Michael J. Follows, Professor für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften am MIT und Mitglied des Forschungsteams.