Počtvrté v historii Země. Vědci prokázali, že dvě symbiotické formy života splynuly v jeden organismus

V historii Země se odehrálo takové splynutí dvou forem života nejspíše pouze čtyřikrát, což z tohoto procesu činí mimořádně vzácnou evoluční událost. Podruhé k tomu došlo asi před miliardou let, když se sinice spojila s komplexní buňkou za vzniku chloroplastu, tedy organely (organely jsou mikroskopické systémy uvnitř buněk), která provádí fotosyntézu. Tak vznikly zelené rostliny.

A asi před 60 miliony let se další sinice spojily s amébou a vytvořily jinou fotosyntetickou organelu zvanou chromatofor, načež vzniklo několik druhů prvoků s názvem Paulinella.

Nyní byl nalezen čtvrtý příklad, a to u jednobuněčné řasy Braarudosphaera bigelowii, která se běžně vyskytuje v oceánech. S tou se těsně spojila sinice fixující dusík, zvaná Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A). Výsledkem byla další specializovaná organela uvnitř komplexní buňky, která se nazývá nitroplast (obecně organela v určitých druzích řas). K této události přitom zřejmě došlo již před 100 miliony let.

Tato organela také poskytuje podstatný vhled do oceánských ekosystémů. Všechny organismy potřebují dusík v biologicky využitelné formě a UCYN-A je globálně důležitá pro svou schopnost fixovat dusík z atmosféry. Vědci tuto bakteriální strukturu našli od tropů až po Severní ledový oceán, všude váže značné množství dusíku.

Tuto čtvrtou výjimečnou událost pozoroval mezinárodní tým vědců velmi dlouho, než se odvážil vyslovit konečný „verdikt“, že k ní došlo. Články popisující dotyčný výzkum byly publikovány na přelomu letošního března a dubna ve vědeckých časopisech Science a Cell.

Vědci, kteří se na projektu podíleli, pocházejí z mnoha vědeckých a akademických institucí z USA, Španělska, Japonska a Tchaj-wanu i dalších zemí. Informovaly o tom např. weby New Scientist či Science Alert.

Eukaryotické buňky jsou pozoruhodně složité – obsahují kromě zřetelného buněčného jádra také různé organely, tedy membránově vázané struktury se specifickými funkcemi. Dvě z těchto organel, mitochondrie a chloroplasty, které fungují při dýchání a fotosyntéze, se vyvinuly integrací původně volně fungujících endosymbiotických bakterií do eukaryotické buňky.

Samotná endosymbióza je přitom v živých systémech poměrně běžná a nutně nevede ke splynutí dvou životních forem – oba rozdílné organismy stále mohou fungovat samostatně, i když spolupracují. Proto byl důkaz splynutí této mořské řasy a bakterie fixující dusík (označené zkratkou UCYN-A) poměrně těžkým oříškem.

Předpokládalo se, že řasy Braarudosphaera bigelowii určitě „fixují“ dusík – konkrétně přeměňují atmosférický dusík na pro ně použitelný čpavek/amoniak – pomocí vnořené bakterie. Tyler Coale z Kalifornské univerzity v Santa Cruz a jeho kolegové nyní ukázali, že se tato bakterie vyvinula do nové, již integrované buněčné struktury – organely. Je to první známá organela fixující dusík neboli nitroplast.

„Zdá se, že je to pro dané řasy úspěšná strategie. Jedná se o velmi rozšířené řasy, najdeme je všude ve světových oceánech,“ poznamenal Coale.

Teprve úzká integrace endosymbiotické bakterie do architektury a funkce hostitelské buňky je totiž charakteristická pro organely. Vědci nyní spolehlivě zjistili, že bakterie UCYN-A se opravdu vyvinula z obvyklého (endo)symbionta na eukaryotickou organelu pro fixaci dusíku – tzv. nitroplastu –, a přidala tak eukaryotické buňce další funkci, o které se předpokládalo, že ji vykonávají výhradně jednodušší prokaryotické buňky, např. bakterie.

Odborníky zkoumaný proces spočívá konkrétně v tom, že eukaryotická buňka řasy pohltí bakterii a poskytne jí živiny, energii, ochranu, a dokonce i svůj replikační mechanismus, to vše „výměnou“ za funkci, kterou dříve tato buňka nemohla vykonávat: v tomto případě schopnost „fixovat“ dusík ze vzduchu. Řasy tak začleňují bakterii do své buňky jako vnitřní orgán – zvaný organela –, který se stává klíčově důležitým pro schopnost hostitele fungovat – a tedy i žít.

Objev nitroplastu vyžadoval trochu štěstí a mnoho let práce. V roce 1998 Jonathan Zehr, profesor mořských věd na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz, našel v mořské vodě Tichého oceánu krátkou sekvenci DNA, která vypadala, že pochází z neznámé sinice vázající dusík. Zehr a jeho kolegové strávili roky studiem záhadného organismu, který nazvali UCYN-A (unicellular cyanobacterial group A).

Ve stejné době se paleontoložka Kjóko Haginoová z univerzity v japonském Kóčinu usilovně snažila pěstovat mořskou řasu Braarudosphaera bigelowii v laboratoři, což bylo extrémně obtížné. Ukázalo se, že je hostitelským organismem pro UCYN-A. Vyžádalo si to tak více než 300 průzkumných expedic a celkem přes 20 let, ale badatelka nakonec úspěšně a stabilně kultivovala řasu v umělé kultuře, a to umožnilo dalším vědcům konečně začít studovat UCYN-A a jejího mořského hostitele společně v laboratoři.

To umožnilo týmu použít techniku zvanou měkká rentgenová tomografie ke sledování toho, co se děje uvnitř, když se buňky řas dělí. Z toho bylo zjištěno, že UCYN-A se dělí synchronně s buňkou řas, přičemž každá dceřiná buňka zdědí jeden exemplář UCYN-A. „Předtím jsme nevěděli, jak se toto spojení udržuje,“ vysvětlil Coale.

Po celá léta vědci považovali UCYN-A za pouhého endosymbionta, i když byl úzce spojen s řasou. Dvě nedávné studie však naznačují, že UCYN-A se v minulosti vyvíjela společně se svým hostitelem v symbióze a nyní splňuje kritéria pro neoddělitelnou organelu.

V článku publikovaném v březnu v časopise Cell tak Zehr a jeho kolegové z Massachusetts Institute of Technology, Institut de Ciències del Mar v Barceloně a University of Rhode Island ukazují, že poměr velikosti mezi exempláři UCYN-A a jejich řasovými hostiteli je podobný u různých druhů mořské řasy Braarudosphaera bigelowii.

Ukázalo se, že růst hostitelské buňky i UCYN-A je společně řízen výměnou živin. Jejich metabolismus je propojen. Tato synchronizace v rychlosti růstu vedla vědce k tomu, že UCYN-A nazvali organelou. „To je přesně to, co se děje s organelami,“ uvedl Zehr. „Když se podíváte na mitochondrie a chloroplasty, je to to samé, škálují se s buňkou.“

Vědci však přinesli i další důkazy, UCYN-A totiž importuje proteiny ze svých hostitelských buněk.

„To je jeden z charakteristických znaků procesu, když se endosymbiont mění směrem k organele,“ popsal Zehr. „Začnou ‚vyhazovat‘ kousky DNA či geny do jádra hostitele, jejich genomy se zmenšují a zmenšují a začne u nich vznikat závislost na mateřské buňce v tom, co tyto geny produkují (např. proteiny).“

„Dokonce asi polovina z přibližně 2000 různých proteinů uvnitř UCYN-A pochází z řasového hostitele. Mnoho z dovážených proteinů pomáhá UCYN-A fixovat dusík,“ pokračoval Coale. „Buňka řasy ji vlastně nutí, aby produkovala více dusíku, než potřebuje pro sebe.“

Tyler Coale zjistil, že hostitelská buňka vytváří bílkoviny a označuje je specifickou aminokyselinovou sekvencí, která buňce říká, aby je poslala do nitroplastu. Je to vlastně jakýsi „adresní štítek“. Nitroplast pak dováží proteiny a používá je.

Coale identifikoval funkci některých proteinů, které vyplňují mezery v určitých drahách v rámci UCYN-A.

Symbiont UCYN-A zkrátka není sám schopen provádět kyslíkovou fotosyntézu. Je zapojen do těsného partnerství s hostitelem, poskytuje mu fixní dusík a na oplátku přijímá fixní uhlík. Nyní je známo, že tato symbióza je velmi stabilní, je rozšířena ve sluncem zalitých pobřežních a oceánských vodách a hraje klíčovou roli v biogeochemickém cyklu dusíku.

Biologická fixace dusíku, která mění atmosférický plynný dusík (N2) na reaktivní amoniak (NH3), je ústředním bodem biogeochemického cyklu dusíku jako jediná cesta k začlenění hojného plynného dusíku do biomasy. Tento proces představuje hlavní hnací sílu hnojení vodních i suchozemských živých systémů a je studován mj. za účelem zvýšení výnosů plodin v zemědělství. Aby bylo možné přímo těžit z výsledného amoniaku, mnoho fotosyntetických organismů, od suchozemských rostlin po mikrořasy, obsahuje symbionty fixující dusík.

Existuje velký zájem o modifikaci plodin, aby si samy mohly fixovat vlastní dusík, jako to dělají luštěniny s pomocí endosymbiotických bakterií. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, by bylo vybavit jejich buňky nitroplasty. Avšak sinice UCYN-A není dobrým výchozím bodem, protože je příliš závislá na své domovské mořské řase.

Tím by mohly být spíše sinice, které se teprve vydaly na cestu k tomu, aby se staly nitroplasty, a nespoléhají se na dovážené proteiny, takže by mohly být snadno přidány do široké škály plodin. Nicméně studium řasy Braarudosphaera bigelowii by nám mohlo pomoci pochopit, jak integrovat fixaci dusíku do rostlinných buněk. Zkoumání těchto mechanismů má tedy velký potenciál v tom směru, jak lze zásadně změnit zemědělství.

Spousta otázek týkajících se UCYN-A a řasového hostitele však zůstává nezodpovězena. Výzkumníci plánují ponořit se hlouběji do toho, jak UCYN-A a řasy fungují, a studovat různé kmeny. Zehr očekává, že najdou další organismy s evolučním příběhem podobným UCYN-A, ale jako první svého druhu je tento objev jedním z těch, které by se měly psát do učebnic.