Некогда независимая бактерия превратилась в органеллу, обеспечивающую азотом клетки водорослей, - событие настолько редкое, что известно всего три других случая.
Считается, что за 3,5 миллиарда лет, прошедших с момента зарождения жизни на Земле, некогда свободно живущие бактерии сливались с другими организмами всего три раза, что было крайне редким эволюционным событием. Теперь найден четвертый пример - одноклеточная водоросль, распространенная в океанах. Предполагалось, что эти водоросли "фиксируют" азот - превращают атмосферный азот в полезный аммиак - с помощью бактерий. Тайлер Коул из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и его коллеги показали, что бактерия превратилась в новую клеточную структуру, или органеллу. По словам Коула, это первая известная азотфиксирующая органелла, или нитропласт, и она могла стать ключом к успешной жизни этих водорослей. "Похоже, что это их удачная жизненная стратегия", - говорит он. "Это очень распространенные водоросли. Мы находим их по всему мировому океану".
Довольно часто один вид живет внутри клеток другого в рамках взаимовыгодных отношений, называемых эндосимбиозом. Например, в клетках корней бобовых, таких как горох, живут азотофиксирующие бактерии. Успех тараканов отчасти объясняется эндосимбиотическими бактериями, которые производят необходимые питательные вещества. В некоторых клетках живут сразу несколько эндосимбионтов. Хотя эндосимбиотические отношения могут стать очень тесными, почти во всех случаях они отличаются друг от друга. Например, бобовые получают свои корневые бактерии из почвы. А бактерии тараканов передаются в яйцах, но живут они не в каждой клетке, а в специализированных клетках.
Но в трех случаях эндосимбионты слились со своими хозяевами и стали их неотъемлемой частью. Митохондрии, вырабатывающие энергию, возникли в результате слияния бактерии с другой простой клеткой, образовав сложные клетки, которые дали начало животным, растениям и грибам. Растения возникли, когда цианобактерия объединилась со сложной клеткой и образовала хлоропласт - органеллу, осуществляющую фотосинтез. А около 60 миллионов лет назад другая цианобактерия объединилась с амебой, образовав другую фотосинтезирующую органеллу, называемую хроматофором, которая встречается только у нескольких видов паулинелл.
Уже более десяти лет существует предположение, что цианобактерия, известная как UCYN-A, живущая внутри одноклеточной водоросли Braarudosphaera bigelowii, превратилась в органеллу. Однако изучение этого партнерства было затруднено до тех пор, пока ученые не нашла способ культивировать B. bigelowii в лаборатории. Это позволило исследователям использовать метод рентгеновской томографии, чтобы наблюдать за тем, что происходит при делении клеток водорослей. В результате было обнаружено, что UCYN-A делится вместе с водорослевой клеткой, причем каждая дочерняя клетка наследует одну UCYN-A. "До этого мы не знали, как поддерживается эта связь", - объясняет Коул.
Исследователи также обнаружили, что около половины из 2000 или около того различных белков, входящих в состав UCYN-A, поступают от водоросли-хозяина, а не производятся внутри UCYN-A.
Многие из импортированных белков помогают UCYN-A фиксировать азот, отмечает Коул. "Я думаю, что водорослевая клетка "подсаживает" ее на производство большего количества азота, чем ей нужно для себя". Похоже, что для доставки белков в UCYN-A, как и для других органелл, существует специальная система. Все импортируемые белки имеют дополнительный фрагмент, который считается "адресной меткой", помечающей их для доставки в UCYN-A.
Общепринятого определения органеллы не существует, поясняет Джефф Элхаи из Университета Содружества Вирджинии, но многие биологи считают ключевыми координацию деления и импорт белков. "У Коула обнаружены оба эти пункта", - говорит Элхаи. "Даже для семантических пуристов UCYN-A должна считаться органеллой, присоединяясь к случаям с митохондриями, хлоропластами и хроматофорами".
Производство и использование азотных удобрений - один из основных источников выбросов парниковых газов, а также расходов для сельского хозяйства. Поэтому существует большой интерес к модификации культурных растений, чтобы они могли самостоятельно фиксировать азот, как это делают бобовые. Одним из способов добиться этого было бы оснащение их клеток нитропластами, и Элхаи разработал предложение, как это можно сделать. Но UCYN-A не является хорошей отправной точкой, поскольку слишком зависит от B. bigelowii, говорит он.
Вместо этого Элхаи предлагает начать с цианобактерий, которые только начали свой путь к превращению в нитропласты и не зависят от импортируемых белков, поэтому их можно легко добавить в широкий спектр культурных растений. Тем не менее, Элхаи согласен с Коулом в том, что изучение B. bigelowii может помочь нам понять, как интегрировать фиксацию азота в растительную клетку.
