Eukaryote cellen zoals wij die hebben, hebben cellichaampjes (organellen) die allerlei taken uitvoeren. Mitochondriën zijn organellen die de cel van energie voorzien. Die hebben een eigen (klein) DNA. Het idee is dat dat oorspronkelijk aparte organismen zijn geweest die door de eukaryote cel is ‘ingelijfd’ en dat een groot deel van zijn DNA is kwijtgeraakt. Nu hebben onderzoekers een alg gevonden die een bacterie zou hebben ‘geadopteerd’ dat stikstof kan verwerken. Zien we hier een alternatief voor kunstmest?

Volgens de biologieboeken kunnen alleen bacteriën stikstof omzetten in voor het leven bruikbare vormen (stikstof is een wezenlijk onderdeel van de eiwitten, de ‘werkpaarden’ van het leven). Planten leggen stikstof vast door een samenwerking aan te gaan bacteriën in de bodem, maar een alg (ook een eukaryoot) heeft het kennelijk drastischer aangepakt. Volgens Tyler Coale van de universiteit van Californië in Santa Cruz zou het zelden voorkomen dat organellen op zo’n manier ontstaan. “De eerste keer dat dat gebeurde zou het begin van complex leven zijn geweest. Alles dat ingewikkelder is dan een bacteriecel ontleent daar zijn bestaan aan.” Dan komen dus die mitochondriën op de proppen of de chloroplast (bladgroen) in plantencellen. Nu dus een alg met een inwendige bacterie die stikstof verwerkt (nitroplast).
Het verhaal begint al in 1988 als Jonathan Zehr, van dezelfde universiteit als Coale nu werkt, een korte DNA-sequentie vindt die van een onbekende cyanobacterie afkomstig zou zijn die hij UCYN-A noemde. Ongeveer te zelfder tijd probeerde Kyoko Hagino van de Kochi-universiteit in Japan met grote moeite een zeealg te kweken. Dat bleek de ‘gastheer’ te zijn van UCYN-A. Het kostte Hagino meer dan tien jaar, wat een geduld, om die alg te kweken om die alg te kunnen bestuderen.

Lang dachten de onderzoekers dat UCYN-A, officieel  Candidatus Atelocyanobacterium thalassa gedoopt, een ‘inwoner’ (endosymbiont) was van de alg, die op de een of andere manier samenwerkten, maar het huidige onderzoek laat zien dat die samenwerking verder gaat dan (symbiose).
De onderzoekers maakten aannemelijk dat de grootteverhouding tussen bacterie en algencel overeenkomstig is met de verhouding in andere haptofyte algencellen (Braarudosphaera bigelowii). De groei van UCYN-A en de algencel wordt gestuurd door de uitwisseling van voedingsstoffen. De stofwisselingen van bacterie en alg zijn gekoppeld. In feite lijkt de bacterie ‘geadopteerd’ te zijn (een organel). Volgens Zehr is dat precies wat er met de mitochondriën en de chloroplasten is gebeurd, maar kennelijk is die bacterie nog niet volledig ingekapseld.

Eiwitten van de gastheer

UCYN-A gebruikt eiwitten van de gastheer. Dat is volgens Zehr een van de kenmerken die van een samenwerker (endosymbiont, in dit geval) een organel maakt. “Ze gooien stukken DNA weg en hun DNA wordt kleiner”, zegt hij. “Ze worden dan afhankelijk van de gastheer.”
Coale vergeleek de eiwitten in een losse bacteriecel en die van een inwonende cel. Hij vond dat de algencel eiwitten aanmaakt die van een apart aminozuurmerk worden voorzien, dat die eiwitten naar de ‘inwoner’, de nitroplast, stuurt. Die maakt daar dankbaar gebruik van. Ook repliceert UCYN-A in de algencel synchroon met de algencel en de nitroplast komt ook weer voor in de nieuwgevormde algencel.

De onderzoekers denken dat deze ontdekking gevolgen zou kunnen hebben voor de landbouw. Die is nu sterk afhankelijk van de productie van ammoniak voor die van kunststof. Dat is een nog energieintensief proces dat voor veel broeikasgas zorgt. Als je nu eens zo’n cyanobacterie zou kunnen ‘inbouwen’ in plantencellen, maar voorlopig hebben ze aan deze (endo)symbiose nog een hoop te ontdekken. Overigens schijnt die ‘inwoning’ alleen rond Japan te zijn aangetroffen. Bij Californië is de bacterie nog onafhankelijk.

Bron: phys.org

Artikelen:

Tyler H. Coale et al, Nitrogen-fixing organelle in a marine alga, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adk1075

Ramon Massana, The nitroplast: A nitrogen-fixing organelle, Science(2024). DOI: 10.1126/science.ado8571 , www.science.org/doi/10.1126/science.ado8571

Francisco M. Cornejo-Castillo et al, Metabolic trade-offs constrain the cell size ratio in a nitrogen-fixing symbiosis, Cell (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.02.016