Nitroplasto: scoperto un fenomeno che accade una volta ogni miliardo di anni / Nitroplast: a phenomenon that happens once every billion years discovered
Nitroplasto: scoperto un fenomeno che accade una volta ogni miliardo di anni / Nitroplast: a phenomenon that happens once every billion years discovered
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
La struttura del nitroplasto
Si è scoperto tuttavia che il nitroplasto abbia assunto una nuova forma molto tempo fa, diventando una vera e propria struttura cellulare, o organello, con un metabolismo direttamente collegato a quello delle alghe.
“È molto raro che gli organelli derivino da questo tipo di cose“, ha dichiarato Tyler Coale, ricercatore presso l’Università della California, Santa Cruz (UCSC) ed autore principale di uno dei due studi recenti che hanno identificato il nitroplasto.
La scoperta è solo il quarto esempio conosciuto nella storia della Terra di “endosimbiosi primaria”, un processo mediante il quale una cellula eucariotica, una cellula in cui il DNA è racchiuso in un nucleo, come in tutti gli animali, piante e funghi, ingoia una cellula procariote, che manca un nucleo. In questo caso, una cellula algale eucariotica ha inghiottito una cellula batterica procariotica.
“La prima volta che pensiamo che sia successo, ha dato origine a tutta la vita complessa“, ha detto Coale, riferendosi all’evoluzione dei mitocondri, le centrali elettriche delle cellule, circa 1,5 miliardi di anni fa: “Tutto quello che è più complicato di una cellula batterica deve la sua esistenza a quell’evento”. Questo include anche gli esseri umani.
L’endosimbiosi
Il secondo caso conosciuto di endosimbiosi ha avuto luogo circa 1 miliardo di anni fa, dando origine ai cloroplasti, che alimentano la fotosintesi ed innescando l’evoluzione delle piante. Il terzo evento noto potrebbe aver dato origine ad un organello meno conosciuto noto come cromatoforo, una struttura piena di pigmento nella pelle dei cefalopodi, come calamari e polpi, che consente loro di cambiare colore.
Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta il microrganismo trasformato in nitroplasto nel 1998, anche se all’epoca non sapevano ancora che il microrganismo fosse un vero organello.
In quel lavoro, un gruppo guidato da Jonathan Zehr, un illustre Professore di scienze marine alla UCSC ed autore principale del secondo studio recente, ha recuperato una breve sequenza di DNA del nitroplasto dall’acqua di mare dell’Oceano Pacifico.
Zehr ed i suoi colleghi hanno determinato che il DNA apparteneva ad un cianobatterio che fissa l’azoto, che hanno chiamato UCYN-A. La fissazione dell’azoto si riferisce al processo di trasformazione dell’azoto in una forma utilizzabile per le cellule.
La scoperta è coincisa con il lavoro svolto presso l’Università di Kochi in Giappone, dove gli scienziati hanno capito come coltivare le alghe che trasportano l’UCYN-A in laboratorio. Questo ha permesso a Zehr ed ai suoi collaboratori di confrontare le dimensioni di UCYN-A in diverse specie di queste alghe, che appartengono a un gruppo correlato chiamato Braarudosphaera bigelowii.
I ricercatori hanno pubblicato lo studio sul nitroplasto il 28 marzo 2024 sulla rivista Cell, riferendo che la crescita di UCYN-A e delle sue cellule ospiti è sincronizzata e controllata dallo scambio di nutrienti. Questo è “esattamente quello che accade con gli organelli”, ha affermato Zehr nella dichiarazione: “Se guardi i mitocondri ed i cloroplasti, è la stessa cosa: si ridimensionano con la cellula”.
Per confermare questi risultati, Zehr ed altri ricercatori hanno condotto un secondo studio, pubblicato l’11 aprile 2024 sulla rivista Science. I suoi risultati hanno indicato che UCYN-A importa proteine dalla sua cellula ospite, suggerendo che il primo microrganismo avesse abbandonato parte del suo apparato cellulare, affidandosi invece al suo ospite per funzionare. In altre parole, quello che un tempo era un batterio era diventato un ingranaggio nel meccanismo del suo ospite.
Questo è uno dei tratti distintivi di qualcosa che si muove da un endosimbionte ad un organello”, ha detto Zehr: “Cominciano a buttare via pezzi di DNA, ed i loro genomi diventano sempre più piccoli, ed iniziano a dipendere dalla cellula madre per il trasporto di quei prodotti genetici – o della proteina stessa – nella cellula”.
Inoltre, secondo la dichiarazione, l’UCYN-A si replica contemporaneamente alla cellula ospite e viene ereditato come gli altri organelli, suggellando la scoperta del nitroplasto.
Conclusioni
Il percorso verso la scoperta del nitroplasto è stato lungo ed arduo, abbracciando decenni di ricerca. Come già accennato prima, nel 1998, Zehr ha individuato una breve sequenza di DNA di quello che sembrava essere un cianobatterio sconosciuto che fissa l’azoto nell’acqua di mare dell’Oceano Pacifico. Lui ed i suoi colleghi hanno trascorso anni a studiare l’organismo misterioso, che hanno chiamato UCYN-A.
Contemporaneamente, Kyoko Hagino, paleontologa dell’Università di Kochi in Giappone, stava lavorando instancabilmente alla coltura di un’alga marina, che si è rivelata essere l’organismo ospite dell’UCYN-A.
Il lavoro di Coale sulla proteomica per lo studio ha rivelato che la cellula ospite produce proteine e le etichetta con una sequenza amminoacidica specifica, segnalando alla cellula di inviarle al nitroplasto.
Il nitroplasto quindi importa ed utilizza queste proteine, colmando le lacune in alcuni percorsi all’interno di UCYN-A: “È un po’ come questo magico puzzle che si incastra e funziona“, ha aggiunto Zehr.
La scoperta del nitroplasto fornisce nuove informazioni sugli ecosistemi oceanici . UCYN-A è importante a livello globale per la sua capacità di fissare l’azoto dall’atmosfera ed i ricercatori lo hanno trovato in varie località, dai tropici all’Oceano Artico, dove fissa una quantità significativa di azoto.
Il nitroplasto ha anche il potenziale per rivoluzionare l’agricoltura. Il processo Haber-Bosch, che sintetizza i fertilizzanti ammoniacali dall’azoto atmosferico, ha permesso all’agricoltura ed alla popolazione mondiale di decollare all’inizio del XX secolo.
ENGLISH
In a groundbreaking discovery, scientists have identified the first known structure in complex cells capable of extracting nitrogen from the atmosphere and converting it into a form that the cell can use, and they have dubbed the new cell part the “nitroplast.” According to two recent studies, researchers believe it likely evolved 100 million years ago.
The structure of the nitroplast
However, it was discovered that the nitroplast took on a new shape long ago, becoming a true cellular structure, or organelle, with a metabolism directly linked to that of algae.
“It's very rare for organelles to arise from this type of thing,” said Tyler Coale, a researcher at the University of California, Santa Cruz (UCSC) and lead author of one of two recent studies that identified the nitroplast.
The discovery is only the fourth known example in Earth's history of "primary endosymbiosis," a process by which a eukaryotic cell, a cell in which DNA is enclosed in a nucleus, as in all animals, plants and fungi, swallows a prokaryotic cell, which lacks a nucleus. In this case, a eukaryotic algal cell engulfed a prokaryotic bacterial cell.
“The first time we think this happened, it gave rise to all complex life,” Coale said, referring to the evolution of mitochondria, the powerhouses of cells, about 1.5 billion years ago: “Everything that it is more complicated than a bacterial cell owes its existence to that event.” This also includes humans.
Endosymbiosis
The second known case of endosymbiosis took place about 1 billion years ago, giving rise to chloroplasts, which fuel photosynthesis and triggering the evolution of plants. The third known event may have given rise to a lesser-known organelle known as a chromatophore, a pigment-filled structure in the skin of cephalopods, such as squid and octopus, that allows them to change color.
Scientists first discovered the nitroplast-transformed microorganism in 1998, although at the time they did not yet know that the microorganism was a true organelle.
In that work, a team led by Jonathan Zehr, a distinguished professor of marine sciences at UCSC and lead author of the second recent study, recovered a short sequence of nitroplast DNA from Pacific Ocean seawater.
Zehr and his colleagues determined that the DNA belonged to a nitrogen-fixing cyanobacterium, which they called UCYN-A. Nitrogen fixation refers to the process of turning nitrogen into a usable form for cells.
The discovery coincided with work done at Kochi University in Japan, where scientists figured out how to grow the algae that carries UCYN-A in the lab. This allowed Zehr and his collaborators to compare the size of UCYN-A in different species of these algae, which belong to a related group called Braarudosphaera bigelowii.
The researchers published the nitroplast study on March 28, 2024 in the journal Cell, reporting that the growth of UCYN-A and its host cells is synchronized and controlled by nutrient exchange. This is “exactly what happens with organelles,” Zehr said in the statement: “If you look at mitochondria and chloroplasts, it's the same thing: They scale with the cell.”
To confirm these findings, Zehr and other researchers conducted a second study, published April 11, 2024 in the journal Science. His results indicated that UCYN-A imports proteins from its host cell, suggesting that the first microorganism had abandoned part of its cellular machinery, instead relying on its host to function. In other words, what was once a bacterium had become a cog in its host's machinery.
That's one of the hallmarks of something moving from an endosymbiont to an organelle,” Zehr said: “They start throwing away pieces of DNA, and their genomes get smaller and smaller, and they start to depend on the parent cell for transport. of those genetic products – or of the protein itself – into the cell.”
Furthermore, according to the statement, UCYN-A replicates at the same time as the host cell and is inherited like other organelles, sealing the discovery of the nitroplast.
Conclusions
The path to the discovery of nitroplast was long and arduous, spanning decades of research. As mentioned before, in 1998, Zehr identified a short DNA sequence of what appeared to be an unknown nitrogen-fixing cyanobacterium in Pacific Ocean seawater. He and his colleagues spent years studying the mysterious organism, which they named UCYN-A.
At the same time, Kyoko Hagino, a paleontologist at Kochi University in Japan, was working tirelessly to culture a marine algae, which turned out to be the host organism of UCYN-A.
Coale's work on proteomics for the study revealed that the host cell produces proteins and labels them with a specific amino acid sequence, signaling the cell to send them to the nitroplast.
The nitroplast then imports and uses these proteins, filling in gaps in certain pathways within UCYN-A: “It's kind of like this magical puzzle that fits together and works,” Zehr added.
he discovery of nitroplast provides new insights into ocean ecosystems. UCYN-A is important globally for its ability to fix nitrogen from the atmosphere, and researchers have found it in various locations, from the tropics to the Arctic Ocean, where it fixes a significant amount of nitrogen.
Nitroplast also has the potential to revolutionize agriculture. The Haber-Bosch process, which synthesizes ammonia fertilizers from atmospheric nitrogen, allowed agriculture and the world's population to take off in the early 20th century.
Da:
https://reccom.org/nitroplasto-fenomeno-una-volta-ogni-miliardo-di-anni/?fbclid=IwZXh0bgNhZW0CMTEAAR3AcqWzKxqgnIQOwbOLOs_35Iv9l2RdykZlqQiCp4TVsJVYCatzIXcqGVU_aem_AeK1G-xQ7krJbhBbum_Zj5aXhJtTAp-ZmDciU7n7Xdrp2U2PShAugDbpaJOxdlwUi-ApQ4I5d9eVIIBcWWdBc7Go
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