Para ilmuwan telah menemukan organel pengikat nitrogen pertama

Buku teks biologi modern menyatakan bahwa hanya bakteri yang mampu mengambil nitrogen dari atmosfer dan mengubahnya menjadi bentuk yang dapat dihuni. Tanaman yang mengikat nitrogen, seperti kacang-kacangan, melakukannya dengan menampung bakteri simbiosis di bintil akarnya. Namun penemuan terbaru membalikkan aturan ini.

Dalam dua makalah baru-baru ini, tim ilmuwan internasional menjelaskan organel pengikat nitrogen pertama yang diketahui di dalam sel eukariotik. Organel adalah contoh keempat dalam sejarah endosimbiosis primer—proses dimana sel prokariotik ditelan oleh sel eukariotik dan berkembang melampaui simbiosis menjadi organel.

“Sangat jarang organel muncul dari hal semacam ini,” kata Tyler Cole, peneliti pascadoktoral di UC Santa Cruz dan penulis pertama salah satu dari dua makalah terbaru. “Pertama kali kami mengira hal ini terjadi, hal ini memunculkan semua bentuk kehidupan yang kompleks. Segala sesuatu yang lebih kompleks dari sel bakteri disebabkan oleh peristiwa ini,” katanya, mengacu pada asal muasal mitokondria. “Sekitar satu miliar tahun yang lalu, hal ini terjadi lagi pada kloroplas, dan hal ini memberi kita tumbuhan,” kata Cole.

Contoh terkenal ketiga melibatkan mikroba mirip kloroplas. Penemuan terbaru ini merupakan contoh pertama organel pengikat nitrogen, yang oleh para peneliti disebut nitroplast.

Sebuah misteri berusia puluhan tahun

Menemukan organel membutuhkan sedikit keberuntungan dan kerja keras selama puluhan tahun. Pada tahun 1998, Jonathan Zahr, seorang profesor ilmu kelautan terkemuka di Universitas California, Santa Cruz, menemukan rangkaian DNA pendek yang tampaknya berasal dari cyanobacteria pengikat nitrogen yang tidak diketahui di air laut Pasifik. Zahr dan rekan-rekannya menghabiskan waktu bertahun-tahun mempelajari objek misterius yang mereka beri nama UCYN-A.

Sementara itu, Kyoko Hagino, ahli paleontologi di Universitas Kochi Jepang, aktif mencoba membudidayakan rumput laut. Ternyata itu adalah organisme inang UCYN-A. Dibutuhkan lebih dari 300 ekspedisi pengambilan sampel dan lebih dari satu dekade, namun Hagino akhirnya berhasil menumbuhkan alga tersebut dalam budidaya, memungkinkan peneliti lain untuk mulai mempelajari UCYN-A dan inang alga lautnya bersama-sama di laboratorium.

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan menganggap UCYN-A sebagai endosimbion yang berkerabat dekat dengan alga. Namun dua makalah baru-baru ini menunjukkan bahwa UCYN-A telah berevolusi bersama dengan inang simbiosis sebelumnya, dan sekarang memenuhi kriteria untuk sebuah organel.

Asal organik

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di sel Pada bulan Maret 2024, Zahr dan rekannya dari MIT, Instituto de Ciencia de Barcelona, ​​​​dan Universitas Rhode Island menunjukkan bahwa rasio volume antara UCYN-A dan inang alganya serupa di berbagai spesies alga eufit laut. Prarodosphaera bigeloi.

Para peneliti menggunakan model untuk menunjukkan bahwa pertumbuhan sel inang dan UCYN-A dikendalikan oleh pertukaran nutrisi. Proses metabolisme mereka saling terkait. Sinkronisasi tingkat pertumbuhan ini membuat para peneliti menyebut UCYN-A “mirip organel.”

“Hal inilah yang sebenarnya terjadi pada organel,” kata Zahr. “Jika Anda melihat mitokondria dan kloroplas, keduanya sama: mereka berkembang bersama sel.”

Namun para ilmuwan tidak yakin menyebut UCYN-A sebagai organel sampai mereka mengkonfirmasi bukti lain. Dalam Artikel sampul Dari majalah Sains, diterbitkan hari ini, menampilkan Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak dari University of California, Santa Cruz, dan kolaborator dari University of California, San Francisco, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Taiwan Ocean University, dan Kochi Universitas di Jepang. UCYN-A mengimpor protein dari sel inangnya.

“Ini adalah salah satu ciri dari sesuatu yang berubah dari endosimbion menjadi organel,” kata Zahr. “Mereka mulai membuang potongan-potongan DNA, genom mereka semakin mengecil, dan mereka mulai bergantung pada sel induk untuk membawa produk gen tersebut – atau protein itu sendiri – ke dalam sel.”

Cole mengerjakan protein untuk dipelajari. Dia membandingkan protein yang ditemukan dalam UCYN-A yang diisolasi dengan yang ditemukan di seluruh sel inang alga. Dia menemukan bahwa sel inang membuat protein dan memberi label pada mereka dengan rangkaian asam amino tertentu, yang memberitahu sel untuk mengirimkannya ke nitroplast. Nitroblast kemudian mengimpor dan menggunakan protein. Cole mengidentifikasi fungsi beberapa protein, yang mengisi celah pada jalur spesifik dalam UCYN-A.

“Ini seperti teka-teki ajaib yang cocok dan bekerja sama,” kata Zahr.

Dalam makalah yang sama, para peneliti dari Universitas California, San Francisco menunjukkan bahwa UCYN-A bereplikasi bersama dengan sel alga dan diwariskan seperti organel lainnya.

Ubah perspektif

Bukti independen ini tidak meninggalkan keraguan bahwa UCYN-A telah melampaui peran simbion. Meskipun mitokondria dan kloroplas berevolusi miliaran tahun yang lalu, nitrogenoplas tampaknya telah berevolusi sekitar 100 juta tahun yang lalu, memberikan para ilmuwan perspektif baru yang lebih modern mengenai pembentukan organel.

Organel juga memberikan wawasan tentang ekosistem laut. Semua organisme hidup membutuhkan nitrogen dalam bentuk yang dapat digunakan secara biologis, dan UCYN-A penting secara global karena kemampuannya mengikat nitrogen dari atmosfer. Para peneliti telah menemukannya di mana-mana mulai dari daerah tropis hingga Samudra Arktik, dan ia mengikat nitrogen dalam jumlah besar.

“Dia bukan sekadar pemain lain,” kata Zehr.

Penemuan ini juga berpotensi mengubah pertanian. Kemampuan untuk membuat pupuk amonia dari nitrogen di atmosfer memungkinkan pertanian – dan populasi dunia – berkembang pesat pada awal abad ke-20. Proses ini dikenal sebagai proses Haber-Bosch, dan memungkinkan produksi sekitar 50% pangan dunia. Proses ini juga menghasilkan karbon dioksida dalam jumlah besar: sekitar 1,4% emisi global berasal dari proses ini. Selama beberapa dekade, para peneliti telah mencoba menemukan cara untuk memasukkan fiksasi nitrogen alami ke dalam pertanian.

“Sistem ini merupakan perspektif baru mengenai fiksasi nitrogen dan dapat memberikan petunjuk tentang cara merekayasa organel tersebut ke dalam tanaman,” kata Cole.

Namun banyak pertanyaan tentang UCYN-A dan inang alganya yang masih belum terjawab. Para peneliti berencana untuk mempelajari lebih dalam tentang cara kerja UCYN-A dan alga serta mempelajari strain yang berbeda.

Kendra Turk-Cobo, asisten profesor di UC Santa Cruz, akan melanjutkan penelitian di laboratorium barunya. Zahr memperkirakan para ilmuwan akan menemukan organisme lain yang memiliki kisah evolusi serupa dengan UCYN-A, namun sebagai yang pertama dari jenisnya, penemuan ini layak untuk dicatat dalam buku teks.