Wissenschaftler entdecken das erste stickstofffixierende Organell

In modernen Biologielehrbüchern wird behauptet, dass nur Bakterien der Atmosphäre Stickstoff entziehen und in eine für das Leben nutzbare Form umwandeln können. Pflanzen, die Stickstoff binden, wie zum Beispiel Hülsenfrüchte, tun dies, indem sie symbiotische Bakterien in Wurzelknollen beherbergen. Doch eine aktuelle Entdeckung stellt diese Regel auf den Kopf.

In zwei aktuellen Veröffentlichungen beschreibt ein internationales Wissenschaftlerteam das erste bekannte stickstofffixierende Organell innerhalb 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 Coale, Postdoktorand an der UC Santa Cruz und Erstautor einer von zwei kürzlich erschienenen Arbeiten. „Als wir zum ersten Mal glauben, dass es passiert ist, hat es alles komplexe Leben entstehen lassen. Alles, was komplizierter ist als eine Bakterienzelle, verdankt seine Existenz diesem Ereignis“, sagte er und bezog sich dabei auf die Ursprünge der Mitochondrien. „Vor etwa einer Milliarde Jahren passierte es erneut mit den Chloroplasten, und das brachte uns Pflanzen“, sagte Coale.

Beim dritten bekannten Fall handelt es sich um eine Mikrobe, die einem Chloroplasten ähnelt. Die neueste Entdeckung ist das erste Beispiel einer stickstofffixierenden Organelle, die die Forscher Nitroplasten nennen.

Ein jahrzehntelanges Mysterium

Die Entdeckung der Organelle erforderte etwas Glück und jahrzehntelange Arbeit. Im Jahr 1998 fand Jonathan Zehr, ein angesehener Professor für Meereswissenschaften an der UC Santa Cruz, im Meerwasser des Pazifischen Ozeans eine kurze DNA-Sequenz, die offenbar von einem unbekannten stickstofffixierenden Cyanobakterium stammte. Zehr und Kollegen haben jahrelang den mysteriösen Organismus untersucht, den sie UCYN-A nannten.

Zur gleichen Zeit versuchte Kyoko Hagino, Paläontologin an der Kochi-Universität in Japan, mühsam eine Meeresalge zu kultivieren. Es stellte sich heraus, dass es der Wirtsorganismus für UCYN-A war. Sie brauchte über 300 Probenahmeexpeditionen und mehr als ein Jahrzehnt, aber Hagino züchtete die Alge schließlich erfolgreich in Kulturen und ermöglichte es anderen Forschern, gemeinsam im Labor mit der Untersuchung von UCYN-A und seinem Meeresalgenwirt zu beginnen.

Jahrelang hielten die Wissenschaftler UCYN-A für einen Endosymbionten, der eng mit einer Alge verbunden war. Die beiden jüngsten Veröffentlichungen deuten jedoch darauf hin, dass sich UCYN-A in der vergangenen Symbiose gemeinsam mit seinem Wirt entwickelt hat und nun die Kriterien für eine Organelle erfüllt.

Herkunft der Organellen

In einem Artikel veröffentlicht in Zelle Im März 2024 zeigten Zehr und Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology, dem Institut de Ciències del Mar in Barcelona und der University of Rhode Island, dass das Größenverhältnis zwischen UCYN-A und ihren Algenwirten bei verschiedenen Arten der marinen Haptophytenalgen ähnlich ist Braarudosphaera bigelowii.

Mithilfe eines Modells zeigen die Forscher, dass das Wachstum der Wirtszelle und von UCYN-A durch den Austausch von Nährstoffen gesteuert wird. Ihre Stoffwechselvorgänge sind miteinander verbunden. Diese Synchronisierung der Wachstumsraten veranlasste die Forscher, UCYN-A als „organellartig“ zu bezeichnen.

„Genau das passiert mit Organellen“, sagte Zehr. „Wenn man sich die Mitochondrien und den Chloroplasten ansieht, ist es dasselbe: Sie skalieren mit der Zelle.“

Aber die Wissenschaftler nannten UCYN-A erst dann überzeugend eine Organelle, wenn sie andere Beweislinien bestätigten. Im Titelartikel der Zeitschrift Wissenschaftheute veröffentlicht, zeigen Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo und Wing Kwan Esther Mak von der UC Santa Cruz sowie Mitarbeiter der University of California, San Francisco, des Lawrence Berkeley National Laboratory, der National Taiwan Ocean University und der Kochi University in Japan dass UCYN-A Proteine ​​aus seinen Wirtszellen importiert.

„Das ist eines der Kennzeichen dafür, dass sich etwas von einem Endosymbionten zu einer Organelle bewegt“, sagte Zehr. „Sie fangen an, DNA-Stücke wegzuwerfen, und ihre Genome werden immer kleiner, und sie fangen an, von der Mutterzelle abhängig zu sein, damit diese Genprodukte – oder das Protein selbst – in die Zelle transportiert werden.“

Coale arbeitete an der Proteomik für die Studie. Er verglich die Proteine, die in isoliertem UCYN-A gefunden wurden, mit denen, die in der gesamten Algenwirtszelle gefunden wurden. 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 Nitroplast importiert dann die Proteine ​​und nutzt sie. Coale identifizierte die Funktion einiger Proteine ​​und sie schließen Lücken in bestimmten Signalwegen innerhalb von UCYN-A.

„Es ist so etwas wie ein magisches Puzzle, das tatsächlich zusammenpasst und funktioniert“, sagte Zehr.

In derselben Arbeit zeigen Forscher der UCSF, dass sich UCYN-A synchron mit der Algenzelle repliziert und wie andere Organellen vererbt wird.

Perspektivwechsel

Diese unabhängigen Beweislinien lassen kaum Zweifel daran, dass UCYN-A die Rolle eines Symbionten übertroffen hat. Und während sich Mitochondrien und Chloroplasten vor Milliarden von Jahren entwickelten, scheint sich der Nitroplast vor etwa 100 Millionen Jahren entwickelt zu haben, was Wissenschaftlern eine neue, neuere Perspektive auf die Organellogenese bietet.

Die Organelle bietet auch Einblicke in die Ökosysteme der Ozeane. Alle 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 eine erhebliche Menge Stickstoff.

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

Die Entdeckung hat auch das Potenzial, die Landwirtschaft zu verändern. Die Fähigkeit, Ammoniakdünger aus Luftstickstoff zu synthetisieren, ermöglichte der Landwirtschaft – und der Weltbevölkerung – zu Beginn des 20. Jahrhunderts einen Aufschwung. Das als Haber-Bosch-Verfahren bekannte Verfahren ermöglicht etwa 50 % der weltweiten Nahrungsmittelproduktion. Dabei entstehen auch enorme 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 ein solches Organell in Nutzpflanzen eingebaut werden könnte“, sagte Coale.

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

Kendra Turk-Kubo, Assistenzprofessorin an der UC Santa Cruz, wird die Forschung in ihrem neuen Labor fortsetzen. Zehr erwartet, dass Wissenschaftler andere Organismen mit ähnlichen Entwicklungsgeschichten wie UCYN-A finden werden, aber als erste ihrer Art ist diese Entdeckung eine für die Lehrbücher.