Biosintesi di proteine ed acido nucleico richiedere azoto tuttavia l'azoto atmosferico non è disponibile eucarioti per la sintesi organica. Solo pochi procarioti (come cianobatteri, clostridi, archaea ecc) hanno la capacità di fissare l'azoto molecolare abbondantemente disponibile nell'ambiente atmosfera. Un po' di fissazione dell'azoto batteri vivono all'interno delle cellule eucariotiche in relazione simbiotica come endosimbionti. Ad esempio, i cianobatteri Candidato Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) è un endosimbionte delle microalghe unicellulari Braarudosphaera bigelowii nei sistemi marini. Si ritiene che tale fenomeno naturale abbia svolto un ruolo cruciale nell'evoluzione degli eucarioti cella organelli, mitocondri e cloroplasti attraverso l'integrazione di batteri endosimbiotici nella cellula eucariotica. In uno studio recentemente pubblicato, i ricercatori hanno scoperto che i cianobatteri “UCYN-A” si era strettamente integrato con le microalghe eucariotiche Braarudosphaera bigelowii e si è evoluto da un organello cellulare eucariotico endosimbionte che fissa l'azoto chiamato nitroplasto. Ciò ha prodotto microalghe Braarudosphaera bigelowii il primo eucariota noto che fissa l'azoto. Questa scoperta ha ampliato la funzione di fissazione dell'azoto atmosferico dai procarioti agli eucarioti.
La simbiosi, cioè organismi di specie diverse che condividono l'habitat e vivono insieme, è un fenomeno naturale comune. I partner nella relazione simbiotica possono trarre vantaggio l'uno dall'altro (mutualismo), oppure uno può trarre vantaggio mentre l'altro rimane inalterato (commensalismo) o uno trae vantaggio mentre l'altro viene danneggiato (parassitismo). La relazione simbiotica è chiamata endosimbiosi quando un organismo vive all'interno dell'altro, ad esempio una cellula procariotica che vive all'interno di una cellula eucariotica. La cellula procariotica, in tale situazione, è detta endosimbionte.
L'endosimbiosi (cioè l'internalizzazione dei procarioti da parte di una cellula eucariotica ancestrale) ha svolto un ruolo cruciale nell'evoluzione dei mitocondri e dei cloroplasti, gli organelli cellulari caratteristici delle cellule eucariotiche più complesse, che hanno contribuito alla proliferazione delle forme di vita eucariotiche. Si pensa che un proteobatterio aerobico sia entrato nella cellula eucariotica ancestrale per diventare un endosimbionte in un momento in cui l'ambiente stava diventando sempre più ricco di ossigeno. La capacità del proteobatterio endosimbionte di utilizzare l'ossigeno per produrre energia ha permesso all'eucariota ospite di prosperare nel nuovo ambiente mentre gli altri eucarioti si estinsero a causa della pressione di selezione negativa imposta dal nuovo ambiente ricco di ossigeno. Alla fine, il proteobatterio si integra con il sistema ospite per diventare un mitocondrio. Allo stesso modo, alcuni cianobatteri fotosintetici sono entrati negli eucarioti ancestrali per diventare endosimbionti. A tempo debito, si assimilarono con il sistema ospite eucariotico per diventare cloroplasti. Gli eucarioti con cloroplasti acquisirono la capacità di fissare il carbonio atmosferico e divennero autotrofi. L'evoluzione degli eucarioti che fissano il carbonio dagli eucarioti ancestrali fu un punto di svolta nella storia della vita sulla terra.
L'azoto è necessario per la sintesi organica delle proteine e degli acidi nucleici, tuttavia la capacità di fissare l'azoto atmosferico è limitata solo a pochi procarioti (come alcuni cianobatteri, clostridi, archaea ecc.). Nessun eucariote conosciuto può fissare in modo indipendente l'azoto atmosferico. In natura si osservano relazioni endosimbiotiche mutualistiche tra procarioti che fissano l'azoto ed eucarioti che fissano il carbonio che necessitano di azoto per crescere. Uno di questi esempi è la collaborazione tra il cianobatterio Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) e la microalga unicellulare Braarudosphaera bigelowii nei sistemi marini.
In uno studio recente, la relazione endosimbiotica tra il cianobatterio Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) e la microalga unicellulare Braarudosphaera bigelowii è stata studiata utilizzando la tomografia a raggi X morbidi. La visualizzazione della morfologia cellulare e della divisione dell’alga ha rivelato un ciclo cellulare coordinato in cui i cianobatteri endosimbionti si dividevano equamente proprio come i cloroplasti e i mitocondri in un eucariota si dividono durante la divisione cellulare. Lo studio delle proteine coinvolte nelle attività cellulari ha rivelato che una parte considerevole di esse era codificata dal genoma delle alghe. Ciò includeva proteine essenziali per la biosintesi, la crescita cellulare e la divisione. Questi risultati suggeriscono che i cianobatteri endosimbionti si sono strettamente integrati con il sistema cellulare ospite e sono passati da un endosimbionte a un organello a tutti gli effetti della cellula ospite. Di conseguenza, la cellula algale ospite ha acquisito la capacità di fissare l'azoto atmosferico per la sintesi delle proteine e degli acidi nucleici necessari per la crescita. Il nuovo organello prende il nome nitroplasto grazie alla sua capacità di fissare l'azoto.
Questo rende le microalghe unicellulari Braarudosphaera bigelowii il primo eucariota che fissa l'azoto. Questo sviluppo potrebbe avere implicazioni per agricoltura e l’industria dei fertilizzanti chimici nel lungo periodo.
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Riferimenti:
- Coale, TH et al. 2024. Organello che fissa l'azoto in un'alga marina. Scienza. 11 aprile 2024. Vol 384, numero 6692, pp. 217-222. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R., 2024. Il nitroplasto: un organello che fissa l'azoto. SCIENZA. 11 aprile 2024. Vol 384, numero 6692. pp. 160-161. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
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