Biosintesis dari protein and asid nukleik memerlukan nitrogen namun nitrogen atmosfera tidak tersedia untuk eukariot untuk sintesis organik. Hanya beberapa prokariot (seperti cyanobacteria, clostridia, archaea dsb) mempunyai keupayaan untuk menetapkan nitrogen molekul yang banyak terdapat dalam suasana. Beberapa penetapan nitrogen bakteria hidup di dalam sel eukariotik dalam hubungan simbiotik sebagai endosimbion. Contohnya, cyanobacteria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) ialah endosimbion mikroalga unisel Braarudosphaera bigelowii dalam sistem marin. Fenomena semula jadi sedemikian dianggap telah memainkan peranan penting dalam evolusi eukariotik sel organel mitokondria dan kloroplas melalui integrasi bakteria endosimbiotik kepada sel eukariotik. Dalam kajian yang diterbitkan baru-baru ini, penyelidik mendapati bahawa cyanobacteria "UCYN-A” telah disepadukan rapat dengan mikroalga eukariotik Braarudosphaera bigelowii dan berkembang daripada endosimbion kepada organel sel eukariotik pengikat nitrogen bernama nitroplast. Ini menjadikan mikroalga Braarudosphaera bigelowii eukariota pengikat nitrogen pertama yang diketahui. Penemuan ini telah meluaskan fungsi penetapan nitrogen atmosfera daripada prokariot kepada eukariota.
Simbiosis iaitu, organisma spesies berbeza berkongsi habitat dan hidup bersama, adalah fenomena semula jadi yang biasa. Rakan kongsi dalam perhubungan simbiotik mungkin mendapat manfaat daripada satu sama lain (mutualisme), atau satu mungkin mendapat manfaat manakala yang lain kekal tidak terjejas (komensalisme) atau satu mendapat manfaat manakala yang lain dirugikan (parasitisme). Hubungan simbiotik dipanggil endosymbiosis apabila satu organisma hidup di dalam yang lain, contohnya, sel prokariotik yang hidup di dalam sel eukariotik. Sel prokariotik, dalam keadaan sedemikian, dipanggil endosymbion.
Endosimbiosis (iaitu, internalisasi prokariot oleh sel eukariotik nenek moyang) memainkan peranan penting dalam evolusi mitokondria dan kloroplas, ciri-ciri sel-organel sel eukariotik yang lebih kompleks, yang menyumbang dalam percambahan bentuk hidupan eukariotik. Proteobacterium aerobik dianggap telah memasuki sel eukariotik nenek moyang untuk menjadi endosimbion pada masa persekitaran semakin kaya dengan oksigen. Keupayaan proteobacterium endosymbiont menggunakan oksigen untuk membuat tenaga membolehkan eukariota tuan rumah berkembang maju dalam persekitaran baru manakala eukariota lain menjadi pupus akibat tekanan pemilihan negatif yang dikenakan oleh persekitaran yang kaya dengan oksigen. Akhirnya, proteobacterium disepadukan dengan sistem perumah untuk menjadi mitokondria. Begitu juga, beberapa sianobakteria fotosintesis memasuki eukariota nenek moyang untuk menjadi endosimbion. Pada waktunya, mereka berasimilasi dengan sistem perumah eukariotik untuk menjadi kloroplas. Eukariota dengan kloroplas memperoleh keupayaan untuk membetulkan karbon atmosfera dan menjadi autotrof. Evolusi eukariota pengikat karbon daripada eukariota nenek moyang merupakan titik perubahan dalam sejarah kehidupan di bumi.
Nitrogen diperlukan untuk sintesis organik protein dan asid nukleik namun keupayaan untuk membetulkan nitrogen atmosfera hanya terhad kepada beberapa prokariot (seperti beberapa cyanobacteria, clostridia, archaea dll). Tiada eukariota yang diketahui boleh membetulkan nitrogen atmosfera secara bebas. Hubungan endosymbiotic mutualistik antara prokariot pengikat nitrogen dan eukariot pengikat karbon yang memerlukan nitrogen untuk berkembang dilihat di alam semula jadi. Satu contoh sedemikian ialah perkongsian antara cyanobacteria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) dan mikroalga uniselular Braarudosphaera bigelowii dalam sistem marin.
Dalam kajian baru-baru ini, hubungan endosimbiotik antara cyanobacteria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) dan mikroalga uniselular Braarudosphaera bigelowii telah disiasat menggunakan tomografi x-ray lembut. Visualisasi morfologi sel dan pembahagian alga mendedahkan kitaran sel yang diselaraskan di mana sianobakteria endosimbion dibahagikan sama rata seperti cara kloroplas dan mitokondria dalam pembahagian eukariota semasa pembahagian sel. Kajian tentang protein yang terlibat dalam aktiviti selular mendedahkan bahawa sebahagian kecil daripadanya telah dikodkan oleh genom alga. Ini termasuk protein yang penting untuk biosintesis, pertumbuhan sel dan pembahagian. Penemuan ini menunjukkan bahawa cyanobacteria endosymbiont telah berintegrasi rapat dengan sistem selular hos dan beralih daripada endosimbion kepada organel sel hos yang lengkap. Akibatnya, sel alga perumah memperoleh keupayaan untuk membetulkan nitrogen atmosfera untuk sintesis protein dan asid nukleik yang diperlukan untuk pertumbuhan. Organel baru dinamakan nitroplas kerana keupayaan penetapan nitrogennya.
Ini menjadikan mikroalga unisel Braarudosphaera bigelowii eukariota pengikat nitrogen pertama.Perkembangan ini mungkin mempunyai implikasi untuk pertanian dan industri baja kimia dalam jangka masa panjang.
***
Rujukan:
- Coale, TH et al. 2024. Organel penetapan nitrogen dalam alga marin. Sains. 11 Apr 2024. Jld 384, Keluaran 6692 ms 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Nitroplas: Organel penetapan nitrogen. SAINS. 11 April 2024. Jld 384, Keluaran 6692. ms 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
