Descoberta organela fixadora de nitrogênio em células eucarióticas

Por décadas, os livros de biologia afirmaram que apenas bactérias são capazes de captar nitrogênio da atmosfera e convertê-lo em uma forma utilizável pela vida. No entanto, recente descoberta desafia essa regra, apresentando a primeira organela fixadora de nitrogênio conhecida dentro de uma célula eucariótica. A organela é o quarto exemplo na história de endossimbiose primária — um processo em que uma célula procarionte é englobada por uma eucariótica e evolui para além da simbiose, tornando-se uma organela.

A jornada para a descoberta começou em 1998, quando Jonathan Zehr, professor de ciências marinhas na UC Santa Cruz, encontrou uma sequência curta de DNA de um cianobactério fixador de nitrogênio desconhecido nas águas do Oceano Pacífico. Este organismo foi denominado UCYN-A. Simultaneamente, Kyoko Hagino, paleontóloga da Universidade de Kochi no Japão, trabalhava arduamente para cultivar uma alga marinha, que mais tarde revelou-se o organismo hospedeiro para UCYN-A.

Evolução para organela

Após anos de estudos conjuntos em laboratório, dois artigos recentes sugerem que o UCYN-A co-evoluiu com seu hospedeiro além da simbiose, atendendo aos critérios para ser considerado uma organela. Em um estudo publicado na revista Cell, Zehr e colegas demonstram que a relação de tamanho entre o UCYN-A e seus hospedeiros algais é consistente entre diferentes espécies, e que suas taxas de crescimento sincronizadas indicam uma interdependência metabólica profunda.

Foi no artigo de capa da revista Science, publicado hoje, que Zehr, Coale, e colaboradores apresentaram evidências conclusivas de que o UCYN-A importa proteínas de suas células hospedeiras. Tyler Coale, trabalhando na proteômica do estudo, descobriu que a célula hospedeira produz proteínas e as marca com uma sequência específica de aminoácidos, indicando que sejam enviadas para o nitroplasto, que então as importa e utiliza. Este processo é uma característica definidora da transição de um endossimbionte para uma organela.

O nitroplasto não é apenas uma novidade biológica, mas também um componente crucial nos ecossistemas oceânicos, fixando uma quantidade significativa de nitrogênio. Esta descoberta abre novas perspectivas para a fixação natural de nitrogênio na agricultura, um campo que atualmente depende fortemente do processo de Haber-Bosch para a produção de fertilizantes de amônia, responsável por cerca de 1,4% das emissões globais de dióxido de carbono.

Os pesquisadores, incluindo Kendra Turk-Kubo, que continuará o trabalho em seu novo laboratório na UC Santa Cruz, planejam aprofundar o entendimento de como UCYN-A e a alga hospedeira operam juntas, investigando diferentes cepas e expandindo a compreensão de organelas semelhantes.

Veja os resumos dos dois artigos mencionados

Compensações metabólicas restringem a proporção do tamanho da célula em uma simbiose de fixação de nitrogênio: (doi.org/10.1016/j.cell.2024.02.016)

A fixação biológica de dinitrogênio (N2) é um processo metabólico chave realizado exclusivamente por procariontes, alguns dos quais são simbióticos com eucariotos. Espécies de algas haptófitas marinhas Braarudosphaera bigelowii abrigam a cianobactéria endossimbiótica fixadora de N2 UCYN-A, que pode estar evoluindo com características semelhantes a organelas. Descobrimos que a proporção de tamanho entre UCYN-A e seus hospedeiros é surpreendentemente conservada entre sub-linhagens/espécies, o que é consistente com as relações de tamanho das organelas nesta simbiose e em outras espécies. A modelação metabólica mostrou que esta relação de tamanho maximiza a taxa de crescimento coordenada com base nos compromissos entre a aquisição de recursos e a troca. Nossas descobertas mostram que as relações de tamanho dos endossimbiontes e organelas fixadoras de N2 em eucariotos unicelulares são limitadas por bases metabólicas previsíveis e que a UCYN-A está, em muitos aspectos, funcionando como uma hipotética organela fixadora de N2 (ou nitroplasto).

Organela fixadora de nitrogênio em uma alga marinha: (doi.org/10.1126/science.adk1075)

As interações simbióticas foram fundamentais para a evolução das organelas do cloroplasto e das mitocôndrias, que medeiam o metabolismo do carbono e da energia nos eucariotos. A fixação biológica de nitrogênio, a redução do abundante gás nitrogênio atmosférico (N2) em amônia biologicamente disponível, é um processo metabólico chave realizado exclusivamente por procariontes. Candidatus Atelocyanobacterium thalassa, ou UCYN-A, é uma cianobactéria fixadora de N2 metabolicamente simplificada, anteriormente relatada como um endossimbionte de uma alga unicelular marinha. Aqui mostramos que a UCYN-A foi fortemente integrada na arquitetura das células das algas e na divisão organelar e que importa proteínas codificadas pelo genoma das algas. Estas são características das organelas e mostram que a UCYN-A evoluiu além da endossimbiose e funciona como uma organela fixadora de N2 em estágio evolutivo inicial, ou “nitroplasto”.