Jedną z fascynujących teorii odpowiadających na pytanie: “Jak powstało życie?” jest teoria endosymbiozy mitochondriów i chloroplastów. Według tej teorii, która została zaproponowana przez Lynn Margulis w latach 60. XX wieku, mitochondria i chloroplasty, struktury komórkowe odpowiedzialne za produkcję energii (w przypadku mitochondriów) i fotosyntezę (w przypadku chloroplastów), powstały poprzez endosymbiozę. Endosymbioza to proces, w którym jedna komórka pochłania inną, tworząc symbiotyczny związek.
W pradziejach życia na Ziemi istniały proste formy komórkowe, które nie miały zdolności do oddychania tlenowego ani fotosyntezy. Pewnego dnia jedna z tych komórek (prawdopodobnie archebakteria) pochłonęła inną komórkę (prawdopodobnie proteobakterię lub sinicę), ale zamiast ją strawić, doszło do symbiozy. Komórka gospodarza przekształciła komórkę wewnętrzną w swoje narządy, co dało początek współczesnym mitochondriom lub chloroplastom, a więc organellom.
Najbardziej przekonujące dowody na poparcie tej teorii obejmują podobieństwa genetyczne oraz strukturalne między mitochondriami, chloroplastami a bakteriami. Mitochondria i chloroplasty mają własne DNA, które jest odmiennego pochodzenia niż DNA jądra komórkowego. Ponadto mają strukturę podobną do bakterii oraz mogą się reprodukować niezależnie od cyklu życiowego komórki gospodarza.
Naukowcy odnaleźli kolejny przykład endosymbiozy. Od lat podejrzewano, że cyjanobacteria UCYN-A żyjąca we współpracy z jednokomórkowym glonem Braarudosphaera bigelowii stała się jego organellum. Udało się to udowodnić przy pomocy tomografii, która korzystała z promieniowania miękkiego (soft x-ray tomography) i obrazowała podział komórkowy, podczas którego UCYN-A dzieliła się wraz z Braarudosphaera bigelowii. Naukowcy odkryli również ponad 2000 białek znajdujących się w UCYN-A, które zostały wyprodukowane przez Braarudosphaera bigelowii, co potwierdza ich symbiotyczne funkcjonowanie. Definicja “organellum” nie jest jednoznaczna, biolodzy potwierdzają jednak, że skoordynowane podziały i import białek przemawiają za nową mikrobiologiczną rolą UCYN-A.
Braarudosphaera bigelowii zajmuje się konwertowaniem atmosferycznego azotu do amoniaku, który może być wykorzystany w różnorodnych procesach biochemicznych. Dzieje się to we współpracy z UCYN-A, cyjanobakterią, a teraz już organellum – nitroplastem?
UCYN-A posiada enzym, nitrogenazę, który umożliwia powyższe procesy, natomiast białka przekazywane od Braarudosphaera bigelowii, zgodnie z pomiarami naukowców, intensyfikują produkcję użytecznych form azotu.
Produkcja i wykorzystanie nawozów azotowych to główne źródło emisji gazów cieplarnianych oraz duży wydatek dla rolników. Pojawiły się pomysły na modyfikacje roślin uprawnych, aby mogły one samodzielnie wiązać azot, podobnie jak rośliny strączkowe. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu byłoby wyposażenie komórek roślin w nitroplasty. Nawozy azotowe są niezwykle istotne dla rolników, ponieważ azot jest kluczowym składnikiem odżywczym, który rośliny wykorzystują do syntezy białek i innych związków organicznych. Brak wystarczającej ilości azotu może ograniczyć wzrost roślin, zmniejszyć plony i obniżyć jakość plonów.
Równie istotne jest monitorowanie warunków upraw. Poprzez zbieranie danych dotyczących wilgotności gleby, pH, zawartości składników odżywczych oraz prognoz pogody (temperatura oraz wilgotność powietrza, opady), rolnicy mogą dokładnie monitorować stan swoich upraw. Dzięki tym informacjom mogą podejmować odpowiednie decyzje dotyczące nawożenia, podlewania, ochrony roślin przed szkodnikami i chorobami oraz zbioru plonów.