5月 19, 2024

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科学者が最初の窒素固定細胞小器官を発見

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光学顕微鏡写真は、ニトロプラスト細胞小器官を示す黒い矢印を持つ海洋ハプト藻藻類 Braarudosphaera bigellowii を示しています。 クレジット: タイラー・コール

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光学顕微鏡写真は、ニトロプラスト細胞小器官を示す黒い矢印を持つ海洋ハプト藻藻類 Braarudosphaera bigellowii を示しています。 クレジット: タイラー・コール

現代の生物学の教科書では、大気中から窒素を取り込み、それを居住可能な形態に変換できるのは細菌だけであると主張されています。 マメ科植物などの植物は、根粒に共生細菌を宿らせることで窒素を固定します。 しかし、最新の発見はこのルールをひっくり返します。

最近の 2 つの論文で、科学者の国際チームは、真核細胞内に存在する初めて知られている窒素固定細胞小器官について説明しています。 この細胞小器官は、原核細胞が真核細胞に飲み込まれ、共生を超えて細胞小器官に進化する過程である一次内部共生の歴史における 4 番目の例です。

「この種の物質から細胞小器官が発生するのは非常にまれです」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の博士研究員であり、最近の2本の論文のうちの1本の筆頭著者であるタイラー・コール氏は言う。 「これが起こったと私たちが初めて考えたとき、それはすべての複雑な生命体を生み出しました。細菌細胞よりも複雑なものはすべて、この出来事のおかげでその存在を果たしています」と彼はミトコンドリアの起源に言及しながら述べた。 「10億年ほど前、葉緑体でも同じことが起こり、それが私たちに植物をもたらしました」とコール氏は語った。

3 番目のよく知られた例には、葉緑体様微生物が含まれます。 最新の発見は、研究者がニトロプラストと呼ぶ窒素固定細胞小器官の最初の例である。

数十年来の謎

この細胞小器官の発見には、少しの幸運と数十年の努力が必要でした。 1998年、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の海洋科学の著名な教授であるジョナサン・ゼアは、太平洋の海水中で未知の窒素固定シアノバクテリアのものと思われる短いDNA配列を発見した。 ザール氏らは何年もかけてこの謎の物体を研究し、UCYN-Aと名付けた。

一方、日本の高知大学の古生物学者、萩野京子氏は海藻の養殖に積極的に取り組んでいた。 それはUCYN-Aの宿主生物であることが判明した。 300 回以上のサンプリング調査と 10 年以上の時間がかかりましたが、萩野氏は最終的に藻類の培養に成功し、他の研究者が実験室で一緒に UCYN-A とその海洋藻類宿主の研究を開始できるようになりました。

科学者たちは長年にわたり、UCYN-A が藻類に近縁な内部共生生物であると考えてきました。 しかし、最近の 2 つの論文は、UCYN-A が以前の共生宿主と共進化し、現在では細胞小器官の基準に適合していることを示唆しています。

オーガニックの起源

に掲載された論文で 細胞 2024年3月、MIT、バルセロナ科学研究所、ロードアイランド大学のザール氏らは、UCYN-Aとその宿主藻類との体積比が、海洋富生藻類の異なる種間で類似していることを示した。 プラロドスファエラ ビゲロイ。

研究者らはモデルを使用して、宿主細胞の増殖とUCYN-Aが栄養素の交換によって制御されていることを実証した。 それらの代謝プロセスは関連しています。 この成長速度の同期により、研究者らはUCYN-Aを「細胞小器官のようなもの」と呼んだ。

「これはまさに細胞小器官で起こっていることです」とザール氏は言う。 「ミトコンドリアと葉緑体を見てみると、それらは同じものです。細胞とともに増殖します。」

ソフトなクレジット: ヴァレンティーナ・ロコンテ

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ソフトなクレジット: ヴァレンティーナ・ロコンテ

しかし科学者らは、他の証拠を確認するまで、自信を持ってUCYN-Aを細胞小器官とは呼ばなかった。 の中に 表紙記事 雑誌より 科学本日公開されたこの論文には、カリフォルニア大学サンタクルーズ校のザール氏、クアリー氏、ケンドラ・ターク・クボ氏、ウィングクワン・エスター・マック氏、およびカリフォルニア大学サンフランシスコ校、ローレンス・バークレー国立研究所、国立台湾海洋大学、高知大学の共同研究者がフィーチャーされています。日本の大学。 UCYN-A は宿主細胞からタンパク質を輸入します。

「これは、何かが内部共生生物から細胞小器官に移行する際の特徴の1つです」とザール氏は言う。 「彼らはDNAの断片を取り除き始め、ゲノムはますます小さくなり、それらの遺伝子産物、またはタンパク質自体を細胞内に運ぶのに母細胞に依存し始めます。」

コールは研究のためにタンパク質に取り組みました。 彼は、単離されたUCYN-A内で見つかったタンパク質を、藻類宿主細胞全体で見つかったタンパク質と比較した。 彼は、宿主細胞がタンパク質を作り、それを特定のアミノ酸配列で標識し、それが細胞にタンパク質をニトロプラストに送るように指示することを発見した。 次に、ニトロブラストがタンパク質を輸入して使用します。 コールは、UCYN-A内の特定の経路のギャップを埋めるいくつかのタンパク質の機能を特定した。

「これは、ぴったり合って連携して機能する魔法のジグソーパズルのようなものです」とザール氏は語った。

同じ論文で、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究者らは、UCYN-Aが藻類細胞と連動して複製し、他の細胞小器官と同様に遺伝することを示した。

視点を変える

これらの独立した一連の証拠により、UCYN-A が共生生物の役割を超えていることに疑いの余地はありません。 ミトコンドリアと葉緑体は数十億年前に進化しましたが、窒素プラストは約1億年前に進化したようであり、科学者に細胞小器官の形成に関するより現代的な新しい視点を提供します。

この細胞小器官は、海洋生態系についての洞察も提供します。 すべての生物は生物学的に利用可能な形の窒素を必要とし、UCYN-A は大気から窒素を固定する能力として世界的に重要です。 研究者らは熱帯から北極海まであらゆる場所でこの物質を発見しており、大量の窒素を固定している。

「彼はただの選手ではない」とゼア氏は語った。

この発見は農業を変える可能性も秘めています。 大気中の窒素からアンモニア肥料を作る能力のおかげで、20 世紀初頭には農業と世界人口の増加が可能になりました。 このプロセスはハーバー・ボッシュプロセスとして知られており、世界の食料の約50%の生産を可能にしています。 また、大量の二酸化炭素も生成します。世界の排出量の約 1.4% がこのプロセスによるものです。 研究者たちは何十年もの間、自然の窒素固定を農業に組み込む方法を発見しようと試みてきた。

「このシステムは窒素固定に関する新たな視点であり、このような細胞小器官を作物に組み込む方法に関する手がかりを提供する可能性がある」とコール氏は述べた。

しかし、UCYN-A とその宿主藻類に関する多くの疑問は未解決のままです。 研究者らは、UCYN-Aと藻類がどのように機能するかをさらに深く掘り下げ、さまざまな株を研究する予定です。

カリフォルニア大学サンタクルーズ校の助教授であるケンドラ・ターク・コボ氏は、新しい研究室で研究を続ける予定です。 ザール教授は、科学者たちがUCYN-Aと同様の進化の物語を持つ他の生物を発見するだろうと期待しているが、この種の発見は初めてであり、この発見は教科書に載るような発見である。

詳しくは:
タイラー H. Cole et al.、海洋藻類の窒素固定細胞小器官、 科学 (2024年)。 土井: 10.1126/science.adk1075

フランシスコ M. Cornejo-Castillo et al.、代謝トレードオフは窒素固定共生における細胞サイズ比を制約する、 細胞 (2024年)。 土井: 10.1016/j.cell.2024.02.016

雑誌情報:
科学


、セル


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