גילוי של תא-אברון-ניטרופלסט מקבע חנקן באצה אוקריוטית   

ביוסינתזה של חלבונים ו חומצות גרעין לדרוש חנקן עם זאת חנקן אטמוספרי אינו זמין אקריוטים לסינתזה אורגנית. רק מעט פרוקריוטים (כגון ציאנובקטריה, קלוסטרידיה, ארכיא וכו') יש את היכולת לתקן את החנקן המולקולרי הזמין בשפע ב אוירה. קצת קיבוע חנקן בקטריה חיים בתוך תאים אוקריוטיים ביחס סימביוטי כאנדוסימביונטים. למשל, הציאנובקטריה Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) הוא אנדוסימביונט של המיקרו-אצות החד-תאיות Braarudosphaera bigelowii במערכות ימיות. תופעת טבע כזו מילאה תפקיד מכריע באבולוציה של האיקריוטים תא אברונים מיטוכונדריה וכלורופלסטים באמצעות שילוב של חיידקים אנדוזימביוטיים לתא האוקריוטי. במחקר שפורסם לאחרונה, חוקרים מצאו כי הציאנובקטריה "UCYN-A"השתלבו באופן הדוק עם המיקרו-אצות האוקריוטיות Braarudosphaera bigelowii והתפתח מאנדוסימביונט לאברון תא אוקריוטי מקבע חנקן בשם nitroplast. זה יצר מיקרו אצות Braarudosphaera bigelowii האיקריוט הידוע הראשון שמקבע חנקן. תגלית זו הרחיבה את הפונקציה של קיבוע חנקן אטמוספרי מפרוקריוטים לאאוקריוטים.  

סימביוזה כלומר, אורגניזמים ממינים שונים החולקים בית גידול וחיים יחד, היא תופעת טבע נפוצה. השותפים למערכת היחסים הסימביוטית עשויים להרוויח זה מזה (הדדיות), או שאחד יכול להפיק תועלת בזמן שהשני לא מושפע (קומנסליזם) או שאחד מרוויח בזמן שהשני נפגע (טפילות). הקשר הסימביוטי נקרא אנדוזימביוזה כאשר אורגניזם אחד חי בתוך האחר, למשל, תא פרוקריוטי החי בתוך תא איקריוטי. התא הפרוקריוטי, במצב כזה, נקרא אנדוסימביונט.  

אנדוזימביוזה (כלומר, הפנמה של פרוקריוטים על ידי תא איקריוטי קדמון) מילאה תפקיד מכריע באבולוציה של מיטוכונדריה וכלורופלסטים, אברוני התא האופייניים לתאים איקריוטיים מורכבים יותר, אשר תרמו לשגשוג של צורות חיים איקריוטיות. מאמינים כי פרוטאובקטריה אירובית נכנסה לתא איקריוטי קדום כדי להפוך לאנדוזימביונט בתקופה שבה הסביבה הפכה יותר ויותר עשירה בחמצן. יכולתו של פרוטאובקטריום האנדוסימביונט להשתמש בחמצן להפקת אנרגיה אפשרה לאאוקריוט המארח לשגשג בסביבה החדשה בעוד שהאאוקריוטים האחרים נכחדו עקב לחץ ברירה שלילי שהוטלה על ידי הסביבה החדשה העשירה בחמצן. בסופו של דבר, הפרוטאובקטריה השתלב עם המערכת המארחת והפך למיטוכונדריון. באופן דומה, כמה ציאנובקטריות העוסקות בפוטוסינתזה נכנסו לאאוקריוטים הקדומים והפכו לאנדוסימביונט. בבוא העת, הם נטמעו במערכת המארח האיקריוטית והפכו לכלורופלסטים. אוקריוטים עם כלורופלסטים רכשו את היכולת לתקן פחמן אטמוספרי והפכו לאוטטרופים. האבולוציה של איקריוטים מקבעי פחמן מהאוקריוטים הקדומים היוותה נקודת מפנה בהיסטוריה של החיים על פני כדור הארץ. 

חנקן נדרש לסינתזה אורגנית של חלבונים וחומצות גרעין, אולם היכולת לתקן חנקן אטמוספרי מוגבלת רק למספר פרוקריוטים (כגון כמה ציאנובקטריות, קלוסטרידיות, ארכאות וכו'). אף אוקריוט ידוע לא יכול לתקן חנקן אטמוספרי באופן עצמאי. נראים בטבע קשרים אנדוזימביוטיים הדדיים בין פרוקריוטים מקבעי חנקן לאאוקריוטים מקבעי פחמן הזקוקים לחנקן כדי לגדול. מקרה אחד כזה הוא השותפות בין הציאנובקטריה Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) והמיקרו-אצות החד-תאיות Braarudosphaera bigelowii במערכות ימיות.  

במחקר שנערך לאחרונה, נחקר הקשר האנדוסימביוטי בין ה-cyanobacteria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) והמיקרו-אצה החד-תאית Braarudosphaera bigelowii באמצעות טומוגרפיה רכה של רנטגן. הדמיה של מורפולוגיה של התא וחלוקת האצה גילתה מחזור תאים מתואם שבו ה-endosymbiont cyanobacteria התחלקו באופן שווה בדיוק כפי שכלורופלסטים ומיטוכונדריה באאוקריוט מתחלקים במהלך חלוקת התא. מחקר של חלבונים המעורבים בפעילות התאית גילה שחלק נכבד מהם מקודד על ידי הגנום של אצות. זה כלל חלבונים החיוניים לביו-סינתזה, צמיחת תאים וחלוקה. ממצאים אלה מצביעים על כך שהציאנובקטריה האנדוסימביונטית השתלבה באופן הדוק עם המערכת התאית המארחת ועברו מאנדוסימביונט לאברון מלא של התא המארח. כתוצאה מכך, תא האצות המארח רכש את היכולת לקבע חנקן אטמוספרי לסינתזה של חלבונים וחומצות גרעין הנדרשות לצמיחה. שם האברון החדש ניטרופלס בגלל יכולת קיבוע החנקן שלו.  

זה הופך את המיקרו-אצות החד-תאיות Braarudosphaera bigelowii האאוקריוט הראשון המקבע חנקן. להתפתחות זו עשויות להיות השלכות על חקלאות ותעשיית הדשנים הכימיים בטווח הארוך.

*** 

הפניות:  

1. Coale, TH et al. 2024. אברון מקבע חנקן באצה ימית. מַדָע. 11 באפריל 2024. כרך 384, גיליון 6692 עמ' 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Massana R., 2024. הניטרופלסט: אברון מקבע חנקן. מַדָע. 11 באפריל 2024. כרך 384, גיליון 6692. עמ' 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

***