Descoberta de nitroplasto de organela celular fixadora de nitrogênio em uma alga eucariótica   

A biossíntese de proteínas e ácidos nucleicos requer nitrogênio; no entanto, o nitrogênio atmosférico não está disponível para os eucariotos para a síntese orgânica. Apenas alguns procariotos (como cianobactérias , clostrídios , arqueas , etc.) têm a capacidade de fixar o nitrogênio molecular abundantemente disponível na atmosfera . Algumas bactérias fixadoras de nitrogênio vivem dentro de células eucarióticas em relação simbiótica como endossimbiontes. Por exemplo, a cianobactéria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) é um endossimbionte da microalga unicelular Braarudosphaera bigelowii em sistemas marinhos. Acredita-se que esse fenômeno natural tenha desempenhado um papel crucial na evolução das organelas celulares eucarióticas , mitocôndrias e cloroplastos, por meio da integração de bactérias endossimbiontes à célula eucariótica. Em um estudo publicado recentemente, pesquisadores descobriram que a cianobactéria “ UCYN-A ” se integrou intimamente à microalga eucariótica Braarudosphaera bigelowii e evoluiu de um endossimbionte para um nitroplasto, organela celular eucariótica fixadora de nitrogênio. Isso fez da microalga Braarudosphaera bigelowii o primeiro eucarioto fixador de nitrogênio conhecido. Essa descoberta expandiu a função de fixação de nitrogênio atmosférico de procariontes para eucariontes.

A simbiose, isto é, organismos de diferentes espécies que partilham habitat e vivem juntos, é um fenómeno natural comum. Os parceiros na relação simbiótica podem beneficiar um do outro (mutualismo), ou um pode beneficiar enquanto o outro permanece inalterado (comensalismo) ou um beneficia enquanto o outro é prejudicado (parasitismo). A relação simbiótica é chamada endossimbiose quando um organismo vive dentro do outro, por exemplo, uma célula procariótica vivendo dentro de uma célula eucariótica. A célula procariótica, nesta situação, é chamada de endossimbionte.  

A endossimbiose (isto é, internalização de procariontes por uma célula eucariótica ancestral) desempenhou um papel crucial na evolução das mitocôndrias e dos cloroplastos, as organelas celulares características de células eucarióticas mais complexas, que contribuíram na proliferação de formas de vida eucarióticas. Acredita-se que uma proteobactéria aeróbica tenha entrado na célula eucariótica ancestral para se tornar um endossimbionte numa época em que o ambiente se tornava cada vez mais rico em oxigênio. A capacidade da proteobactéria endossimbionte de usar oxigênio para produzir energia permitiu que o eucarioto hospedeiro prosperasse no novo ambiente, enquanto os outros eucariotos foram extintos devido à pressão de seleção negativa imposta pelo novo ambiente rico em oxigênio. Eventualmente, a proteobactéria integrou-se ao sistema hospedeiro para se tornar uma mitocôndria. Da mesma forma, algumas cianobactérias fotossintetizantes entraram nos eucariotos ancestrais para se tornarem endossimbiontes. No devido tempo, eles foram assimilados pelo sistema hospedeiro eucariótico para se tornarem cloroplastos. Os eucariotos com cloroplastos adquiriram a capacidade de fixar o carbono atmosférico e tornaram-se autotróficos. A evolução dos eucariotos fixadores de carbono a partir dos eucariotos ancestrais foi um ponto de viragem na história da vida na Terra. 

O nitrogênio é necessário para a síntese orgânica de proteínas e ácidos nucléicos, no entanto, a capacidade de fixar o nitrogênio atmosférico é limitada apenas a alguns procariontes (como algumas cianobactérias, clostrídios, arquéias, etc.). Nenhum eucarioto conhecido pode fixar independentemente o nitrogênio atmosférico. Relações endossimbióticas mutualísticas entre procariontes fixadores de nitrogênio e eucariotos fixadores de carbono que precisam de nitrogênio para crescer são vistas na natureza. Um exemplo é a parceria entre a cianobactéria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) e a microalga unicelular Braarudosphaera bigelowii em sistemas marinhos.  

Em um estudo recente, a relação endossimbiótica entre a cianobactéria Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (UCYN-A) e a microalga unicelular Braarudosphaera bigelowii foi investigada utilizando tomografia de raios X moles. A visualização da morfologia celular e da divisão da alga revelou um ciclo celular coordenado, no qual a cianobactéria endossimbionte se dividia uniformemente, assim como os cloroplastos e as mitocôndrias em um eucarioto se dividem durante a divisão celular. O estudo das proteínas envolvidas nas atividades celulares revelou que uma fração considerável delas era codificada pelo genoma da alga. Isso incluía proteínas essenciais para a biossíntese, o crescimento celular e a divisão. Essas descobertas sugerem que a cianobactéria endossimbionte se integrou intimamente ao sistema celular do hospedeiro e passou de endossimbionte a uma organela completa da célula hospedeira. Como consequência, a célula da alga hospedeira adquiriu a capacidade de fixar o nitrogênio atmosférico para a síntese de proteínas e ácidos nucleicos necessários ao crescimento. A nova organela recebeu o nome de nitroplasto devido à sua capacidade de fixar nitrogênio.

Isso torna a microalga unicelular Braarudosphaera bigelowii o primeiro eucarioto fixador de nitrogênio. Esse desenvolvimento pode ter implicações para a agricultura e a indústria de fertilizantes químicos a longo prazo.

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Referências:  

1. Coale, TH et ai. 2024. Organela fixadora de nitrogênio em uma alga marinha. Ciência. 11 de abril de 2024. Vol 384, Edição 6692 pp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.adk1075 

2. Massana R., 2024. O nitroplasto: uma organela fixadora de nitrogênio. CIÊNCIA. 11 de abril de 2024. Vol 384, Edição 6692. pp. DOI: https://doi.org/10.1126/science.ado8571  

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