Группа исследователей получила престижную научную премию

Группа исследователей получила престижную научную премию за открытие, которое готовилось почти два десятилетия. Долгое время считалось, что только простые микробы способны осуществлять химическую реакцию преобразования, необходимую для создания основных строительных блоков жизни. Однако ученые обнаружили, что более сложный организм — одноклеточная водоросль с ядром — также может это делать благодаря недавно идентифицированной клеточной структуре, получившей название «нитропласт».

В будущем нитропласт может совершить революцию в сельском хозяйстве. «Это один из «святых Граалей» биотехнологии, — говорит Джон Зер, ныне вышедший на пенсию микробиолог-эколог из Калифорнийского университета в Санта-Крус, — возможность создать растения, которые могли бы извлекать азот из воздуха и использовать его для роста без загрязнения окружающей среды, энергозатрат и расходов, связанных с современными удобрениями».

Это история о том, как группа международных ученых разгадала удивительную микроскопическую загадку.

Загадочный фрагмент ДНК

В конце 1990-х годов Зер столкнулся с головоломкой. Во время исследовательских экспедиций, тестируя морскую воду, он и его коллеги постоянно находили один и тот же фрагмент ДНК в океане. Однако, когда они пытались найти организм, из которого он произошел, никому не удавалось его увидеть.

«Каждый раз, когда мы получали эти образцы, — говорит Зер, — мы смотрели в микроскоп, и там ничего не было». И все же ДНК была повсюду — в открытом океане, вдоль побережья, в тропиках и Арктике. «Мы долго гонялись за этим организмом, имея только фрагмент ДНК».

ДНК также, по-видимому, выполняла особую и редкую функцию — извлечение газообразного азота из окружающей среды, который необходим живым организмам для выживания, и преобразование его в форму, которая затем могла быть использована для создания белков и ДНК.

Пригодный для использования азот, подобный этому, довольно дефицитен в окружающей среде. «Вот почему мы добавляем его в качестве удобрения в сельском хозяйстве, — говорит Зер. — То же самое и в океанах. Его не хватает в обширных районах океана».

Одной из первых подсказок к этой головоломке было осознание того, что у чего бы то ни было, что произвело этот фрагмент ДНК, отсутствуют всевозможные необходимые гены. В этом было что-то неполное. «В нем были все эти дыры или пробелы», — говорит Зер. (Эти пробелы включали гены, ответственные за то, что светится под микроскопом, что делало его невидимым для Зера и его коллег.)

Чтобы выжить, он полагал, что ему нужна помощь от другой формы жизни, «что объяснило бы, как у него может отсутствовать так много генов, потому что он живет с кем-то другим, кто может предоставить эти вещи», — говорит он.

Зер оказался прав. Этим «кем-то» оказалась разновидность одноклеточной водоросли под названием Braarudosphaera bigelowii, которая выглядит как крошечный футбольный мяч.

Подкрадываясь ближе

Для дальнейших экспериментов потребовалось выращивать в лаборатории водоросль, похожую на футбольный мяч, вместе с ее таинственным маленьким другом. Это была огромная проблема. Клетки постоянно умирали. Палеонтолог Киоко Хагино из Университета Коти пыталась в течение двенадцати лет, пока, наконец, не сломала его двоюродным братом первоначального организма. «Они очень хорошо плавали, — говорит она, — поэтому я была очень взволнована».

Этот большой прорыв позволил команде сотрудничать с Национальной лабораторией Лоуренса Беркли для использования рентгеновских лучей, генерируемых ускорителем частиц, чтобы заглянуть внутрь этого футбольного мяча. «Это очень похоже на медицинскую компьютерную томографию, где вы можете видеть внутреннюю часть клетки, не разрушая ее, поэтому вам не нужно разрезать клетку», — говорит Каролин Ларабель, биолог-клеточник из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Структурный биолог Валентина Локонте была поражена тем, что она увидела. «Внутри водоросли я нашла маленькую клетку, — говорит она. — Мы не могли видеть ни одной из исходных водорослей, в которых не было маленькой клетки внутри».

Эта маленькая сущность — то, что в то время казалось маленькой клеткой, — была странным источником всей этой таинственной ДНК в океане. «Это означает, что два организма действительно живут вместе», — говорит Локонте.

И когда она посмотрела, как делятся две видимые клетки — маленькая внутри большой, — они были синхронизированы. Это породило дразнящую возможность: что, если маленькая сущность вообще не была самостоятельной? Что, если это была часть большей клетки водоросли?

Поэтому Тайлер Коул, биолог фитопланктона из Калифорнийского университета в Санта-Крус, изучил внутреннюю работу обоих, анализируя их белки. Вскоре он понял, что они нужны друг другу. Он обнаружил, что недостающие гены маленького парня находятся в большой клетке. А большая клетка получала азот от маленького парня. Эта способность к преобразованию азота — это «что-то вроде дополнительной **суперсилы**», — говорит Кендра Турк-Кубо, микробиолог-океанограф из Калифорнийского университета в Санта-Крус. «Это действительно **важная часть** этих отношений».

«И в этот момент, — говорит Коул, — очень трудно назвать эти два разных организма двумя разными организмами, если их геномы так переплетены».

Вместо этого, утверждали он и его коллеги, это был единый организм. Маленький парень на самом деле был нитропластом — компонентом большей клетки водоросли.

Когда два стали одним

До этого открытия способность преобразовывать азот из газа в пригодную для использования форму — то, что называется фиксацией азота, — была подвигом, который, как считали ученые, могли совершить только определенные виды бактерий и другие простые микробы.

Но теперь это мнение изменилось благодаря этой работе. Около 140 миллионов лет назад свободноживущая бактерия, которая могла захватывать весь азот, который ей нужен, из воды, в которой она плавала, слилась с древней клеткой водоросли.

«Одна клетка поглощает другую, — говорит Коул, — а затем не переваривает ее, а скорее включает ее в свое тело».

Со временем бактерия выбросила часть своих генов, водоросли стали зависимыми от получаемого азота — до тех пор, пока в конечном итоге ни одна из них не смогла жить без другой. Они стали глубоко полагаться друг на друга, «процесс превращения двух видов в один», — говорит Коул.

Этот процесс «сыграл **решающую роль** в эволюции сложной жизни на Земле», — говорит он. Под этим Коул подразумевает, что это очень похоже на то, что породило митохондрии (энергетический центр клеток) около 1,5 миллиарда лет назад и хлоропласт (который позволяет растениям фотосинтезировать) около двух миллиардов лет назад. «Часть их генома закодирована в их собственном небольшом геноме, но также **важные части** закодированы в ядре» окружающей клетки, — говорит Коул.

Но в этом случае процесс привел к созданию нитропласта, и эта структура отвечает за перекачку значительного количества азота в мировой океан.

«Это было как на ладони», — отмечает Дуг Капоне, биолог-океанограф из Университета Южной Калифорнии, который не принимал участия в открытии. Но чтобы получить детали, которые, наконец, заставили совершить скачок веры — вау, это действительно круто». По его мнению, нитропласт дал клетке водоросли «бесплатный проезд» в бедных питательными веществами водах.

Однажды, по словам Капоне, нитропласт можно будет внедрить в сельскохозяйственные культуры, чтобы они могли преобразовывать свой собственный азот, не полагаясь на внешние удобрения. «Это предоставляет модельную систему, — говорит он, — для того, как можно было бы интегрировать нитропласт в **важную** в сельскохозяйственном отношении культуру».

До этого видения еще далеко. «Я думаю, реалистичный взгляд, — говорит Коул, — заключается в том, что потребуются десятилетия исследований сотен, если не тысяч ученых, работающих над различными аспектами этой проблемы, чтобы даже сделать это возможным».

Однако сейчас команда сосредоточена на следующем наборе исследовательских вопросов, которые потребуют того же духа сотрудничества, который привел к их большому открытию, — своего рода взаимозависимой взаимосвязанности.

«Наша команда, — говорит Турк-Кубо, — вместе мы также лучше, чем наши отдельные части, как и эти организмы».