Biosynthese von proteiny und Nukleinsäure erfordern Stickstoff Luftstickstoff steht jedoch nicht zur Verfügung Eukaryoten für die organische Synthese. Nur wenige Prokaryoten (wie z Cyanobakterien, Clostridien, Archaea usw.) haben die Fähigkeit, den reichlich vorhandenen molekularen Stickstoff zu binden Atmosphäre. Etwas Stickstofffixierung Bakterien leben in symbiotischen Beziehungen als Endosymbionten in eukaryotischen Zellen. Zum Beispiel die Cyanobakterien Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ist ein Endosymbiont der einzelligen Mikroalge Braarudosphaera bigelowii in marinen Systemen. Es wird angenommen, dass ein solches Naturphänomen eine entscheidende Rolle in der Evolution der Eukaryoten gespielt hat Zelle Organellen Mitochondrien und Chloroplasten durch Integration endosymbiotischer Bakterien in die eukaryontische Zelle. In einer kürzlich veröffentlichten Studie fanden Forscher heraus, dass die Cyanobakterien „UCYN-A„hatte sich eng mit den eukaryotischen Mikroalgen integriert Braarudosphaera bigelowii und entwickelte sich von einem Endosymbionten zu einem stickstofffixierenden eukaryotischen Zellorganell namens Nitroplast. Dadurch entstanden Mikroalgen Braarudosphaera bigelowii der erste bekannte stickstofffixierende Eukaryote. Diese Entdeckung hat die Funktion der Fixierung von Luftstickstoff von Prokaryoten auf Eukaryoten erweitert.
Symbiose, das heißt, dass Organismen verschiedener Arten ihren Lebensraum teilen und zusammenleben, ist ein weit verbreitetes Naturphänomen. Die Partner in der symbiotischen Beziehung können voneinander profitieren (Gegenseitigkeit), oder einer kann profitieren, während der andere unberührt bleibt (Kommensalismus), oder einer kann profitieren, während der andere geschädigt wird (Parasitismus). Die symbiotische Beziehung wird Endosymbiose genannt, wenn ein Organismus im anderen lebt, beispielsweise eine prokaryotische Zelle, die in einer eukaryotischen Zelle lebt. Die prokaryotische Zelle wird in einer solchen Situation Endosymbiont genannt.
Endosymbiose (d. h. die Internalisierung von Prokaryoten durch eine angestammte eukaryotische Zelle) spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Mitochondrien und Chloroplasten, den für komplexere eukaryotische Zellen charakteristischen Zellorganellen, die zur Proliferation eukaryotischer Lebensformen beitrugen. Es wird angenommen, dass ein aerobes Proteobakterium in die eukaryotische Vorfahrenzelle eingedrungen ist, um zu einem Endosymbionten zu werden, und zwar zu einer Zeit, als die Umwelt zunehmend sauerstoffreicher wurde. Die Fähigkeit des Endosymbionten-Proteobakteriums, Sauerstoff zur Energieerzeugung zu nutzen, ermöglichte es dem Wirts-Eukaryoten, in der neuen Umgebung zu gedeihen, während die anderen Eukaryoten aufgrund des negativen Selektionsdrucks, der durch die neue sauerstoffreiche Umgebung auferlegt wurde, ausstarben. Schließlich integrierte sich das Proteobakterium in das Wirtssystem und wurde zu einem Mitochondrium. In ähnlicher Weise gelangten einige photosynthetisierende Cyanobakterien in die angestammten Eukaryoten und wurden zu Endosymbionten. Im Laufe der Zeit assimilierten sie sich mit dem eukaryotischen Wirtssystem und wurden zu Chloroplasten. Eukaryoten mit Chloroplasten erlangten die Fähigkeit, atmosphärischen Kohlenstoff zu binden und wurden zu Autotrophen. Die Entwicklung der kohlenstoffbindenden Eukaryoten aus den Eukaryoten ihrer Vorfahren war ein Wendepunkt in der Geschichte des Lebens auf der Erde.
Stickstoff wird für die organische Synthese von Proteinen und Nukleinsäuren benötigt. Die Fähigkeit, Luftstickstoff zu binden, ist jedoch nur auf wenige Prokaryoten (wie einige Cyanobakterien, Clostridien, Archaeen usw.) beschränkt. Keine bekannten Eukaryoten können Luftstickstoff selbstständig binden. In der Natur gibt es wechselseitige endosymbiotische Beziehungen zwischen stickstofffixierenden Prokaryoten und kohlenstofffixierenden Eukaryoten, die zum Wachstum Stickstoff benötigen. Ein solches Beispiel ist die Partnerschaft zwischen dem Cyanobakterium Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) und der einzelligen Mikroalge Braarudosphaera bigelowii in marinen Systemen.
In einer aktuellen Studie wurde die endosymbiotische Beziehung zwischen dem Cyanobakterium Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) und der einzelligen Mikroalge Braarudosphaera bigelowii mittels weicher Röntgentomographie untersucht. Die Visualisierung der Zellmorphologie und Teilung der Alge zeigte einen koordinierten Zellzyklus, in dem sich die endosymbionten Cyanobakterien gleichmäßig teilten, genau wie sich Chloroplasten und Mitochondrien in einem Eukaryoten während der Zellteilung teilen. Die Untersuchung von Proteinen, die an den zellulären Aktivitäten beteiligt sind, ergab, dass ein beträchtlicher Teil davon im Genom von Algen kodiert ist. Dazu gehörten Proteine, die für die Biosynthese, das Zellwachstum und die Zellteilung unerlässlich sind. Diese Ergebnisse legen nahe, dass sich die endosymbionten Cyanobakterien eng in das Zellsystem des Wirts integriert hatten und von einem Endosymbionten zu einem vollwertigen Organell der Wirtszelle übergegangen waren. Dadurch erlangte die Wirtsalge die Fähigkeit, Luftstickstoff für die Synthese von Proteinen und Nukleinsäuren zu binden, die für das Wachstum erforderlich sind. Das neue Organell wird benannt Nitroplast aufgrund seiner Fähigkeit zur Stickstofffixierung.
Dadurch entstehen einzellige Mikroalgen Braarudosphaera bigelowii der erste stickstofffixierende Eukaryote. Diese Entwicklung könnte Auswirkungen auf haben Landwirtschaft und chemische Düngemittelindustrie auf lange Sicht.
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References:
- Coale, TH et al. 2024. Stickstofffixierende Organelle in einer Meeresalge. Wissenschaft. 11. April 2024. Band 384, Ausgabe 6692, S. 217–222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Der Nitroplast: Ein stickstofffixierendes Organell. WISSENSCHAFT. 11. April 2024. Band 384, Ausgabe 6692. S. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
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