การสังเคราะห์ทางชีวภาพของ โปรตีน และ กรดนิวคลีอิค ต้องการ ก๊าซไนโตรเจน อย่างไรก็ตามไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศไม่พร้อมใช้งาน ยูคาริโอ สำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ โปรคาริโอตเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น (เช่น ไซยาโนแบคทีเรีย, คลอสตริเดีย, เคีย ฯลฯ) มีความสามารถในการตรึงโมเลกุลไนโตรเจนที่มีอยู่อย่างล้นเหลือใน บรรยากาศ- การตรึงไนโตรเจนบางส่วน แบคทีเรีย อาศัยอยู่ภายในเซลล์ยูคาริโอตโดยมีความสัมพันธ์ทางชีวภาพแบบเอนโดซิมเบียน ตัวอย่างเช่น ไซยาโนแบคทีเรีย Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) เป็นเอนโดซิมเบียนของสาหร่ายขนาดเล็กที่มีเซลล์เดียว Braarudosphaera bigelowii ในระบบทางทะเล เชื่อกันว่าปรากฏการณ์ทางธรรมชาติดังกล่าวมีบทบาทสำคัญในวิวัฒนาการของยูคาริโอต เซลล์ ออร์แกเนลล์ไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ผ่านการรวมตัวของแบคทีเรียเอนโดซิมไบโอติกเข้ากับเซลล์ยูคาริโอต ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยพบว่าไซยาโนแบคทีเรีย”ยูซิน-เอ” มีการบูรณาการอย่างใกล้ชิดกับสาหร่ายขนาดเล็กที่มียูคาริโอต Braarudosphaera bigelowii และพัฒนาจากเอนโดซิมเบียนไปเป็นออร์แกเนลล์เซลล์ยูคาริโอตที่ตรึงไนโตรเจนชื่อไนโตรพลาสต์ สิ่งนี้ทำให้สาหร่ายขนาดเล็ก Braarudosphaera bigelowii ยูคาริโอตตรึงไนโตรเจนตัวแรกที่รู้จัก การค้นพบนี้ได้ขยายการทำงานของการตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศจากโปรคาริโอตไปเป็นยูคาริโอต
การอยู่ร่วมกัน (symbiosis) เช่น สิ่งมีชีวิตจากสายพันธุ์ต่าง ๆ ที่อยู่ร่วมกันและอาศัยอยู่ร่วมกัน เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่พบบ่อย คู่รักในความสัมพันธ์ทางชีวภาพอาจได้รับประโยชน์จากกันและกัน (ร่วมกัน) หรือฝ่ายหนึ่งอาจได้รับประโยชน์ในขณะที่อีกฝ่ายยังคงไม่ได้รับผลกระทบ (คอมเมนซาลิสม์) หรือผลประโยชน์อย่างใดอย่างหนึ่งในขณะที่อีกฝ่ายได้รับอันตราย (ปรสิต) ความสัมพันธ์ทางชีวภาพเรียกว่าเอนโดซิมไบโอซิส เมื่อสิ่งมีชีวิตหนึ่งอาศัยอยู่ภายในอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง เช่น เซลล์โปรคาริโอตที่อาศัยอยู่ภายในเซลล์ยูคาริโอต ในสถานการณ์เช่นนี้เซลล์โปรคาริโอตเรียกว่าเอนโดซิมเบียน
Endosymbiosis (เช่น การทำให้โปรคาริโอตอยู่ภายในโดยเซลล์ยูคาริโอตของบรรพบุรุษ) มีบทบาทสำคัญในการวิวัฒนาการของไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์-ออร์แกเนลของเซลล์ยูคาริโอตที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งมีส่วนในการแพร่กระจายของสิ่งมีชีวิตในรูปแบบยูคาริโอต เชื่อกันว่าโปรตีโอแบคทีเรียมแบบแอโรบิกได้เข้าสู่เซลล์ยูคาริโอตของบรรพบุรุษและกลายเป็นเอนโดซิมเบียนในช่วงเวลาที่สภาพแวดล้อมเริ่มอุดมด้วยออกซิเจนมากขึ้น ความสามารถของโปรตีโอแบคทีเรียมในเอนโดซิมเบียนในการใช้ออกซิเจนเพื่อสร้างพลังงานทำให้ยูคาริโอตเจ้าบ้านเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมใหม่ ในขณะที่ยูคาริโอตอื่นๆ สูญพันธุ์เนื่องจากแรงกดดันในการคัดเลือกเชิงลบที่กำหนดโดยสภาพแวดล้อมใหม่ที่เต็มไปด้วยออกซิเจน ในที่สุดโปรตีโอแบคทีเรียจะรวมเข้ากับระบบโฮสต์จนกลายเป็นไมโตคอนเดรีย ในทำนองเดียวกัน ไซยาโนแบคทีเรียที่สังเคราะห์ด้วยแสงบางชนิดเข้าไปในยูคาริโอตของบรรพบุรุษและกลายเป็นเอ็นโดซิมเบียน ในเวลาที่เหมาะสม พวกมันจะหลอมรวมกับระบบโฮสต์ยูคาริโอตจนกลายเป็นคลอโรพลาสต์ ยูคาริโอตที่มีคลอโรพลาสต์ได้รับความสามารถในการตรึงคาร์บอนในชั้นบรรยากาศและกลายเป็นออโตโทรฟ วิวัฒนาการของยูคาริโอตที่ยึดคาร์บอนจากยูคาริโอตของบรรพบุรุษเป็นจุดเปลี่ยนในประวัติศาสตร์ของสิ่งมีชีวิตบนโลก
ไนโตรเจนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนและกรดนิวคลีอิกอินทรีย์ แต่ความสามารถในการตรึงไนโตรเจนในบรรยากาศนั้นจำกัดอยู่เพียงโปรคาริโอตเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น (เช่น ไซยาโนแบคทีเรีย คลอสตริเดีย อาร์เคีย เป็นต้น) ไม่มียูคาริโอตที่รู้จักสามารถตรึงไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศได้อย่างอิสระ ความสัมพันธ์ระหว่างเอนโดซิมไบโอติกร่วมกันระหว่างโปรคาริโอตที่ตรึงไนโตรเจนและยูคาริโอตที่ตรึงคาร์บอนซึ่งต้องการไนโตรเจนในการเจริญเติบโตนั้นมีให้เห็นในธรรมชาติ ตัวอย่างหนึ่งคือความร่วมมือระหว่างไซยาโนแบคทีเรีย Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) และสาหร่ายขนาดเล็กเซลล์เดียว Braarudosphaera bigelowii ในระบบทางทะเล
ในการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ ความสัมพันธ์ของเอนโดซิมไบโอติกระหว่างไซยาโนแบคทีเรีย Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) และสาหร่ายขนาดเล็กที่มีเซลล์เดียว Braarudosphaera bigelowii ได้รับการตรวจสอบโดยใช้การตรวจเอกซเรย์รังสีเอกซ์แบบอ่อน การแสดงสัณฐานวิทยาของเซลล์และการแบ่งสาหร่ายเผยให้เห็นวัฏจักรของเซลล์ที่มีการประสานกัน โดยไซยาโนแบคทีเรียในเอนโดซิมเบียนแบ่งเท่าๆ กัน เช่นเดียวกับวิธีที่คลอโรพลาสต์และไมโตคอนเดรียในยูคาริโอตแบ่งระหว่างการแบ่งเซลล์ การศึกษาโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับกิจกรรมของเซลล์เผยให้เห็นว่ามีโปรตีนจำนวนหนึ่งที่ถูกเข้ารหัสโดยจีโนมของสาหร่าย ซึ่งรวมถึงโปรตีนที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพ การเจริญเติบโตของเซลล์ และการแบ่งตัว การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าไซยาโนแบคทีเรียในเอนโดซิมเบียนได้รวมตัวอย่างใกล้ชิดกับระบบเซลล์โฮสต์และเปลี่ยนจากเอนโดซิมเบียนไปเป็นออร์แกเนลล์ที่เต็มเปี่ยมของเซลล์เจ้าบ้าน ผลที่ตามมาก็คือ เซลล์สาหร่ายที่เป็นโฮสต์ได้รับความสามารถในการตรึงไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศเพื่อสังเคราะห์โปรตีนและกรดนิวคลีอิกที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโต มีชื่อออร์แกเนลล์ใหม่ ไนโตรพลาสต์ เนื่องจากความสามารถในการตรึงไนโตรเจน
ทำให้มีสาหร่ายขนาดเล็กเซลล์เดียว Braarudosphaera bigelowii ยูคาริโอตที่ตรึงไนโตรเจนตัวแรก การพัฒนานี้อาจมีผลกระทบต่อ เกษตรกรรม และอุตสาหกรรมปุ๋ยเคมีในระยะยาว
***
อ้างอิง:
- โคเล่ ธ เอตอัล 2024. ออร์แกเนลล์ตรึงไนโตรเจนในสาหร่ายทะเล ศาสตร์. 11 เมษายน 2024 เล่มที่ 384 ฉบับที่ 6692 หน้า 217-222 ดอย: https://doi.org/10.1126/science.adk1075
- Massana R. , 2024. ไนโตรพลาสต์: ออร์แกเนลล์ที่ตรึงไนโตรเจน ศาสตร์. 11 เมษายน 2024 เล่มที่ 384 ฉบับที่ 6692 หน้า 160-161 ดอย: https://doi.org/10.1126/science.ado8571
***
