Декількома словами
Відкриття нітропласту в одноклітинній водорості може стати проривом у сільському господарстві, дозволяючи рослинам фіксувати азот без використання шкідливих добрив. Це відкриття змінює уявлення про азотфіксацію та відкриває нові перспективи для екологічного землеробства.
Група дослідників отримала престижну наукову премію
Група дослідників отримала престижну наукову премію за відкриття, яке готувалося майже два десятиліття. Вважалося, що лише прості мікроорганізми здатні здійснювати хімічну реакцію перетворення, необхідну для створення основних будівельних блоків життя. Однак, вчені виявили, що складніший організм – одноклітинна водорість з ядром – також може це робити, завдяки новому елементу клітинної архітектури, який вони назвали нітропластом.
Одного дня нітропласт може здійснити революцію в сільському господарстві. «Це один зі «святих граалів» біотехнологій», – каже Джон Зер, мікробний еколог з Каліфорнійського університету в Санта-Крус, який зараз на пенсії. Йдеться про можливість створення рослин, здатних поглинати азот з повітря та використовувати його для росту без забруднення, енергії чи витрат, пов’язаних із сучасними добривами.
Це історія про те, як група міжнародних вчених розгадала надзвичайну мікроскопічну загадку.
Таємничий фрагмент ДНК
Наприкінці 1990-х років Зер зіткнувся з головоломкою. Під час дослідницьких круїзів, тестуючи морську воду, він та його колеги постійно знаходили один і той же фрагмент ДНК в океані. Однак, коли вони намагалися знайти організм, з якого він походив, нікому не вдалося його побачити.
«Кожного разу, коли ми отримували ці зразки, – каже Зер, – ми дивилися в мікроскоп, а там нічого немає». І все ж, ДНК була всюди – у відкритому океані, вздовж узбережжя, в тропіках і Арктиці. «Ми довго переслідували цей організм за фрагментом ДНК».
Також виявилося, що ДНК має особливу та рідкісну функцію – брати газоподібний азот з навколишнього середовища, який потрібен живим істотам для виживання, і перетворювати його на форму, з якої потім можна виготовляти білки та ДНК.
Придатний для використання азот є досить дефіцитним у навколишньому середовищі. «Ось чому ми додаємо його як добриво в сільському господарстві, – каже Зер. – Те саме стосується й океанів. Його не вистачає у великих регіонах океану».
Однією з перших підказок до цієї головоломки стало усвідомлення того, що у всього, що виробляло цей фрагмент ДНК, відсутні всілякі важливі гени. У ньому було щось незавершене. «У ньому були всі ці діри або прогалини», – каже Зер. (Ці прогалини включали гени, відповідальні за те, що світиться під мікроскопом, що робило його невидимим для Зера та його колег).
Щоб вижити, він вирішив, що воно має отримувати допомогу від іншої форми життя, «що пояснює, як у нього може не вистачати стільки генів, тому що воно живе з кимось іншим, хто може надати ці речі», – каже він.
Зер мав рацію. Цим «кимось іншим» виявився вид одноклітинних водоростей під назвою Braarudosphaera bigelowii, які виглядають як крихітний футбольний м’яч.
Наближаючись навшпиньках
Для подальших експериментів потрібно було вирощувати водорості, схожі на футбольний м’яч, у лабораторії разом із його таємничим маленьким другом. Це було надзвичайно складно. Клітини постійно гинули. Палеонтолог Кіоко Хагіно з Університету Кочі намагалася це зробити протягом дванадцяти років, поки нарешті не зламала його за допомогою родича оригінального організму. «Вони дуже гарно плавали, – каже вона, – тому я була дуже рада».
Цей великий прорив дозволив команді співпрацювати з Національною лабораторією Лоуренса Берклі для використання рентгенівських променів, що генеруються прискорювачем частинок, щоб зазирнути всередину цього футбольного м’яча. «Це дуже схоже на медичну комп’ютерну томографію, де ви можете бачити всередині клітини неруйнівним способом, тому вам не потрібно розрізати клітину», – каже Каролін Ларабелл, біолог клітин з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско.
Структурний біолог Валентина Локонте була вражена тим, що побачила. «Всередині водорості я знайшла маленьку клітину», – каже вона. «Ми не могли бачити жодної з початкових водоростей, у яких не було маленької клітини всередині».
Ця маленька істота – те, що на той час здавалося маленькою клітиною – була дивним джерелом усієї цієї таємничої ДНК в океані. «Це означає, що два організми дійсно живуть разом», – каже Локонте.
А коли вона подивилася, як діляться дві очевидні клітини – маленька всередині великої – вони були синхронізовані. Це породило спокусливу можливість: що, як маленька сутність взагалі не є власною істотою? Що, як це частина більшої клітини водоростей?
Тож Тайлер Коул, біолог фітопланктону з Каліфорнійського університету в Санта-Крус, уважно вивчив внутрішню роботу обох, аналізуючи їхні білки. Незабаром він зрозумів, що вони потрібні один одному. Він виявив, що відсутні гени маленького хлопця знаходяться у великій клітині. А велика клітина отримувала азот від маленького хлопця. Ця здатність перетворення азоту є «своєрідною додатковою суперсилою», – каже Кендра Турк-Кубо, мікробний океанограф з Каліфорнійського університету в Санта-Крус. «Це дійсно важлива частина цих відносин».
«І в цей момент, – каже Коул, – стає дуже важко називати ці два різні організми, якщо їхні геноми настільки переплетені».
Замість цього, стверджував він та його колеги, це був єдиний організм. Маленький хлопець насправді був нітропластом – компонентом більшої клітини водоростей.
Коли двоє стали одним
До цього відкриття здатність перетворювати азот з газу в придатну для використання форму – щось під назвою фіксація азоту – була подвигом, який, на думку вчених, могли здійснити лише певні види бактерій та інші прості мікроби.
Але тепер ця точка зору змінилася завдяки цій роботі. Близько 140 мільйонів років тому вільноживуча бактерія, яка могла захоплювати весь азот, який їй потрібен, з води, в якій вона плавала, злилася з давньою клітиною водоростей.
«Одна клітина поглинає іншу, – каже Коул, – а потім не перетравлює її, а скоріше включає її у власне тіло».
З часом бактерія викинула частину своїх генів, водорості стали залежними від азоту, який вони отримували, – поки, зрештою, кожна з них більше не могла жити без іншої. Вони обидва стали глибоко покладатися один на одного, «процес перетворення двох видів в один», – каже Коул.
Цей процес «відіграв ключову роль в еволюції складного життя на Землі», – каже він. Під цим Коул має на увазі, що це дуже схоже на те, що породило мітохондрії (енергетичний центр клітин) близько 1,5 мільярда років тому та хлоропласт (який дозволяє рослинам здійснювати фотосинтез) близько двох мільярдів років тому. «Частина їхнього геному закодована у їхньому власному маленькому геномі, але також важливі частини закодовані в ядрі» навколишньої клітини, – каже Коул.
Але в цьому випадку процес призвів до утворення нітропласту, і структура відповідає за перекачування значної кількості азоту в глобальний океан.
«Це було у всіх на виду», – зазначає Дуг Капоне, біологічний океанограф з Університету Південної Каліфорнії, який не брав участі у відкритті. Але щоб отримати деталі, які, нарешті, змусили зробити стрибок віри – вау, це дійсно круто». На його думку, нітропласт дав клітині водоростей «безкоштовну поїздку» у бідних на поживні речовини водах.
Одного дня, каже Капоне, нітропласт можна буде ввести в сільськогосподарські культури, щоб дозволити їм перетворювати власний азот, не покладаючись на зовнішні добрива. «Це забезпечує модельну систему, – каже він, – для того, як можна інтегрувати нітропласт у важливу для сільського господарства культуру».
Це бачення ще далеко. «Я думаю, що реалістичний погляд, – каже Коул, – полягає в тому, що знадобляться десятиліття досліджень сотень, якщо не тисяч вчених, які працюють над різними аспектами цієї проблеми, щоб навіть зробити її можливою».
Наразі команда зосереджена на наступному наборі дослідницьких питань, які вимагатимуть того ж духу співпраці, що призвів до їхнього великого відкриття – свого роду взаємозалежної взаємопов’язаності.
«Наша команда, – каже Турк-Кубо, – разом, ми також кращі, ніж наші окремі частини, так само, як і ці організми».
