Evolution in Aktion? Neue Studie zeigt die 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 als Stickstofffixierung bekannten Prozess, der Distickstoff in Ammonium, eine Hauptquelle für anorganischen Stickstoff, umwandelt, weitgehend unzugänglich.

Obwohl es Bakterien gibt, die in der Lage sind, Distickstoff zu Ammonium zu reduzieren, haben Forscher der University of Rhode Island, des Institute of Sciences del Mar in Barcelona, ​​der University of California in Santa Cruz und des Massachusetts Institute of Technology die symbiotische Stickstofffixierung entdeckt Organismen, die organellenähnliche Verhaltensweisen zeigen. Tatsächlich gehen die Forscher davon aus, dass sich diese symbiotischen Organismen – UCYN-A, eine Art von Cyanobakterien – mit organellenähnlichen Eigenschaften entwickeln könnten.

Ihre Studie wurde kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle.

UCYN-A lebt in einer symbiotischen Beziehung mit einer eng verwandten Gruppe von Meeresalgen, B. bigelowii, in oft nährstoffarmen Gebieten des offenen Ozeans. Die meisten stickstofffixierenden Bakterien verfügen über Mechanismen zur Regulierung der Verwendung von Distickstoff, wenn feste Stickstoffquellen verfügbar sind, wodurch die hohen Energiekosten dieses Prozesses gesenkt werden. UCYN-As haben jedoch 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 Photosynthese seiner Chloroplasten fixiert wird.

Die Studie beschreibt detailliert, wie Forscher eine Größenbeziehung zwischen UCYN-A und ihren symbiotischen Partnerzellen entdeckten, die mit den Größenbeziehungen zwischen anderen Organellen und ihren Wirten übereinstimmt. Wenn Organellen wachsen, wachsen auch ihre Wirtszellen, die sich schließlich teilen und vermehren. Mathematische Modellierungen enthüllten die metabolischen Kompromisse, die die relative Zellgröße durch Nährstoffaufnahme und -austausch regulieren.

„Es braucht viel Energie und Elektronen, um Stickstoffgas zu binden 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 UCYN-A dem evolutionären Weg zur Entwicklung stickstofffixierender Organellen folgt und wir entdecken, dass auch andere Zellen als B. bigelowii solche Organellen haben oder sich auf die gleiche Weise entwickeln, könnte dies die Gegebenheiten verändern.“

Während Organellen wie Mitochondrien und Chloroplasten im Evolutionsspektrum viel weiter fortgeschritten sind, könnten die Forscher sagen, dass das, was sie sehen, eine Momentaufnahme des Evolutionsprozesses stickstofffixierender Organellen bakteriellen Ursprungs sein könnte.

„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 Co-Autor Francisco Cornejo, Direktor und Postdoktorand am Department of Marine Wissenschaften. Biologie und Ozeanographie am Institut der 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 kann durch die Ressourcenökonomie der Partner erklärt werden. Es deutet darauf hin, dass UCYN-A möglicherweise kurz davor steht, ein Organell zu werden: Die Frage, ob es l „Es ist bereits ein Thema der laufenden Forschung“, sagte Michael J. Follows, Professor für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften am MIT und Mitglied des Forschungsteams.