Descoperirea Nitroplastului: O Revoluție Biotehnologică în Fixarea Nitrogenului

Un grup de cercetători a câștigat un premiu științific important pentru o descoperire realizată în aproape două decenii.

Se credea că doar microbii simpli stăpânesc o reacție de conversie chimică ce ajută la crearea blocurilor esențiale ale vieții. Dar oamenii de știință au descoperit că un organism mai complex – o algă unicelulară cu nucleu – poate face acest lucru, de asemenea, datorită unei structuri celulare nou identificate. O numesc nitroplast.

Într-o zi, nitroplastul ar putea revoluționa agricultura. "Este unul dintre Graalurilor Sfinte ale biotehnologiei," spune Jon Zehr, un ecologist microbian acum pensionat de la UC Santa Cruz – capacitatea de a proiecta plante care ar putea lua azot din aer și ar putea folosi să crească fără poluarea, energia sau cheltuielile pe care le cer fertilizatorii actuali.

Aceasta este povestea modului în care un grup de oameni de știință internaționali au rezolvat un mister microscopic remarcabil.

O urmă misterioasă de ADN

Începând cu sfârșitul anilor 1990, Zehr s-a confruntat cu un puzzle. În timpul croazierelor de cercetare, în timp ce testa apa de mare, el și colegii săi au continuat să găsească același fragment de ADN în ocean. Când au mers să caute organismul de unde provine, însă, nimeni nu a reușit să-l vadă vreodată.

"De fiecare dată când obțineam aceste probe," spune Zehr, "ne uitam prin microscop și nu era nimic acolo." Și totuși, ADN-ul era peste tot – în oceanul deschis, de-a lungul coastei, în tropice și în Arctica. "Am urmărit acest organism dintr-o bucată de ADN pentru o lungă perioadă de timp."

ADN-ul părea, de asemenea, să aibă o funcție specială și rară – de a lua azot gazos din împrejurimi, de care au nevoie organismele vii pentru a supraviețui, și de a-l transforma într-o formă care ar putea fi apoi transformată în proteine și ADN.

Azotul utilizabil ca acesta este destul de rar în mediu. "De aceea îl adăugăm ca îngrășământ în agricultură," spune Zehr. "Același lucru este valabil și în oceane. Este în cantitate insuficientă pe regiuni largi ale oceanului."

Unul dintre primele indicii ale acestui puzzle a fost realizarea faptului că orice a produs acest fragment de ADN lipseau tot felul de gene esențiale. Era ceva incomplet în el. "Avea toate aceste găuri sau goluri," spune Zehr. (Aceste goluri includeau genele responsabile pentru ceea ce se aprinde sub microscop, prin urmare, îl făceau invizibil pentru Zehr și colegii săi.)

Pentru a supraviețui, și-a dat seama că trebuia să primească ajutor de la o altă formă de viață, "ceea ce ar explica cum ar putea să lipsească atâtea gene, deoarece trăiește cu altcineva care poate oferi aceste lucruri," spune el.

Zehr avea dreptate. Acest cineva s-a dovedit a fi un fel de algă unicelulară numită Braarudosphaera bigelowii, care arată ca o minge de fotbal minusculă.

Apropiindu-se cu pași mici

Experimente suplimentare au necesitat cultivarea algei cu aspect de minge de fotbal în laborator, împreună cu micul său prieten misterios. Aceasta a fost o provocare uriașă. Celulele au continuat să moară. Paleontologul Kyoko Hagino de la Universitatea Kochi a încercat timp de doisprezece ani până când a reușit în cele din urmă cu o rudă a organismului original. "Înotau foarte frumos," spune ea, "așa că am fost foarte entuziasmată."

Această mare descoperire a permis echipei să colaboreze cu Laboratorul Național Lawrence Berkeley pentru a folosi raze X generate de un accelerator de particule pentru a privi în interiorul acelei mingi de fotbal. "Este ca și cum ai face o tomografie medicală în care poți vedea în interiorul celulei în mod nedistructiv, astfel încât să nu trebuie să tai celula deschisă," spune Carolyn Larabell, biolog celular la UC San Francisco.

Biologul structural Valentina Loconte a fost uimită de ceea ce a văzut. "În interiorul algei am găsit o celulă mică," spune ea. "Nu am putut vedea nicio algă originală care să nu aibă o celulă mică în interior."

Această entitate mică – ceea ce părea la momentul respectiv a fi o celulă mică – a fost sursa ciudată a tot acel ADN misterios din ocean. "Înseamnă că cele două organisme trăiesc cu adevărat împreună," spune Loconte.

Și când s-a uitat apoi la modul în care cele două celule aparente – cea mică din interiorul celei mari – s-au împărțit, au fost sincronizate. Acest lucru a ridicat o posibilitate tentantă: Dacă entitatea mică nu era deloc o ființă proprie? Dacă făcea parte din celula algală mai mare?

Așa că Tyler Coale, un biolog de fitoplancton de la UC Santa Cruz, a analizat funcționarea internă a ambelor prin analiza proteinelor lor. Curând și-a dat seama că cei doi aveau nevoie unul de celălalt. A constatat că genele lipsă ale tipului mic erau adăpostite în celula mare. Și celula mare a primit azot de la tipul mic. Această capacitate de conversie a azotului este un "fel de superputere suplimentară," spune Kendra Turk-Kubo, o oceanografă microbiană de la UC Santa Cruz. "Aceasta este o parte foarte importantă a acestei relații."

"Și în acel moment," spune Coale, "devine foarte dificil să numim aceste două organisme diferite dacă genomurile lor sunt atât de împletite."

În schimb, el și colegii săi au argumentat că acesta era un singur organism. Tipul mic era de fapt nitroplastul – o componentă a celulei algale mai mari.

Când doi au devenit unul

Până la această descoperire, capacitatea de a transforma azotul dintr-un gaz într-o formă utilizabilă – ceva numit fixare a azotului – a fost o performanță pe care oamenii de știință credeau că doar anumite tipuri de bacterii și alți microbi simpli o pot realiza.

Dar această viziune s-a schimbat acum datorită acestei lucrări. Cu aproximativ 140 de milioane de ani în urmă, o bacterie liberă care putea lua tot azotul pe care îl dorea din apa în care înota a fuzionat cu o celulă algală antică.

"O celulă înghite alta," spune Coale, "și apoi nu o digeră, ci mai degrabă o încorporează în propriul corp."

De-a lungul timpului, bacteria a aruncat o parte din genele sale, algele au devenit dependente de azotul pe care îl primeau – până când, în cele din urmă, fiecare nu mai putea trăi fără celălalt. Cei doi au ajuns să se bazeze profund unul pe celălalt, "procesul a două specii care devin una," spune Coale.

Acest proces "a fost esențial în evoluția vieții complexe pe Pământ," spune el. Prin aceasta, Coale vrea să spună că este foarte asemănător cu ceea ce a dat naștere mitocondriilor (centrala energetică a celulelor) acum aproximativ 1,5 miliarde de ani și cloroplastului (care permite plantelor să fotosintetizeze) acum aproximativ două miliarde de ani. "O parte din genomul lor este codificată în propriul lor genom mic, dar și părți esențiale sunt codificate în nucleul" celulei înconjurătoare, spune Coale.

Dar în acest caz, procesul a dus la nitroplast, iar structura este responsabilă pentru pomparea unor cantități semnificative de azot în oceanul global.

"A fost la vedere," observă Doug Capone, un oceanograf biologic de la Universitatea din California de Sud, care nu a fost implicat în descoperire. Dar pentru a obține detaliile care au făcut în cele din urmă saltul de credință – uau, asta este foarte tare." În opinia sa, nitroplastul a oferit celulei algale "o plimbare gratuită" în apele sărace în nutrienți.

Într-o zi, Capone spune că nitroplastul ar putea fi introdus în culturi pentru a le permite să își transforme propriul azot fără a se baza pe îngrășăminte externe. "Acest lucru oferă un sistem model," spune el, "pentru modul în care s-ar putea integra nitroplastul într-o cultură importantă din punct de vedere agricol."

Această viziune este foarte departe. "Cred că o viziune realistă," spune Coale, "este că va dura zeci de ani de cercetare de către sute, dacă nu mii de oameni de știință care lucrează la diferite aspecte ale acestei probleme pentru a face chiar și o posibilitate."

Deocamdată, însă, echipa se concentrează pe următorul set de întrebări de cercetare, care vor necesita același spirit de colaborare care a dus la marea lor descoperire – un fel de interdependență interconectată.

"Echipa noastră," spune Turk-Kubo, "împreună, suntem, de asemenea, mai buni decât părțile noastre individuale, la fel ca aceste organisme."