Τα μικροσκοπικά γονιδιώματα μπορεί να προσφέρουν στοιχεία στα πρώτα φυτά και ζώα

Με μόλις 121 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, το μικροσκοπικό Tremblaya princeps, ένα συμβιωτικό βακτήριο που ζει μέσα σε εξειδικευμένα κύτταρα του αλευροφάγου, έχει το μικρότερο γνωστό γονιδίωμα από οποιονδήποτε κυτταρικό οργανισμό στον πλανήτη. Το Tremblaya βοηθά στον εφοδιασμό του αλευριού με απαραίτητα αμινοξέα και πιθανότατα λαμβάνει θρεπτικά συστατικά και άλλα μόρια που συντηρούν τη ζωή σε αντάλλαγμα. Και ακόμη και καθώς δοκιμάζει τα κατώτερα όρια μεγέθους γονιδιώματος, το γονιδίωμα Tremblaya μπορεί να εξακολουθήσει να αποβάλλει γονίδια.

Ακόμη πιο εκπληκτικά, οι επιστήμονες ανακάλυψαν το 2011 ότι η Tremblaya φιλοξενεί τον δικό του βακτηριακό επισκέπτη. Το βακτήριο που ονομάζεται Moranella endobia, είναι μικρότερο σε φυσικό μέγεθος από τον ξενιστή του, αλλά έχει περισσότερα από τριπλάσια γονίδια. Μαζί οι τρεις οργανισμοί σχηματίζουν έναν σύνθετο, συνεξαρτώμενο ιστό. τα ένθετα βακτήρια αλληλοσυμπληρώνονται και ο ξενιστής των εντόμων τους, δημιουργώντας ένα γενετικό συνονθύλευμα ενζύμων που απαιτούνται για την παραγωγή αμινοξέων που λείπουν από τη διατροφή των αλευροφόρων.

Το Tremblaya παρουσιάζει κάτι σαν ένα παράδοξο που ορισμένοι βιολόγοι πιστεύουν ότι θα μπορούσε να βοηθήσει να φωτιστεί η εξέλιξη των κυτταρικών μερών. Ο συνδυασμός ξενιστή και συμβίωσης επέτρεψε στον Tremblaya να αποβάλει πολλά από τα γονίδιά του, επιζώντας με ένα μέγεθος γονιδιώματος που κάποτε θεωρούνταν αδύνατο.

«Είναι πολύ αξιοσημείωτο το πώς αυτά τα βακτήρια έχουν ωθήσει το κατώτερο όριο αυτού που θεωρούμε βιώσιμο οργανισμό», δήλωσε ο John Archibald, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Dalhousie στο Χάλιφαξ της Νέας Σκωτίας. "Πριν από δέκα χρόνια, οι άνθρωποι θα γελούσαν με την ιδέα των βακτηρίων με ένα τόσο μικρό σύνολο γονιδίων."

Δεδομένης της εξαιρετικής λεπτότητάς του και του γεγονότος ότι πρέπει να λαμβάνει πολλά απαραίτητα τόσο από τα μικρόβια του ξενιστή όσο και από τα ενδημικά μικρόβια, ορισμένοι προτείνουν ότι το Tremblaya θολώνει τα όρια μεταξύ κυτταρικών οργανισμών και οργανιδίων, εξειδικευμένων δομών εντός των κυττάρων όπως τα μιτοχόνδρια που παράγουν ενέργεια. Έχει χαρακτηριστεί επίσημα ως ενδοσύμβιος, ένας οργανισμός που ζει μέσα στα κύτταρα ενός άλλου οργανισμού. Αλλά το μέγεθος του γονιδιώματός του μοιάζει με αυτό ορισμένων οργανιδίων. «Πότε αυτά τα πράγματα παύουν να είναι βακτήρια;» ρώτησε ο John McCutcheon, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Μοντάνα στη Μισούλα που μελετά αυτούς τους οργανισμούς.

Πράγματι, οι επιστήμονες γνωρίζουν τώρα ότι ορισμένα οργανίδια εξελίχθηκαν από βακτήρια ενδοσυμβίωσης, δημιουργώντας ελπίδες ότι η μελέτη μικροσκοπικών ενδοσυμβίων όπως η Tremblaya θα μπορούσε να ρίξει φως στην εξέλιξη αυτών των οργανιδίων. «Δεν υπάρχει φωτεινή γραμμή μεταξύ των ενδοσυμβίων και των οργανιδίων», είπε ο McCutcheon. "Μπορεί να κοιτάμε κάτι πολύ παρόμοιο με τη μετάβαση από ενδοσυμβίωση σε οργανίδιο."

Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Cell, ο McCutcheon και οι συνεργάτες του αποκαλύπτουν ένα εντυπωσιακό νέο επίπεδο αλληλεξάρτησης μεταξύ της τρόικας Tremblaya. Το γονιδίωμα του αλευρόφυτου φαίνεται να περιλαμβάνει γονίδια από άλλες ποικιλίες βακτηρίων διαφορετικά από τα Tremblaya και Moranella και τα δύο ενδοσυμβιοτικά βακτήρια μπορεί να χρησιμοποιούν τα πρωτεϊνικά προϊόντα αυτών των γονιδίων για την παραγωγή θρεπτικών συστατικών και τη δημιουργία των μεμβρανών τους.

Ο Άρτσιμπαλντ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη, την περιέγραψε ως «πολλή ανάμειξη και αντιστοίχιση που λαμβάνει χώρα στον εξελικτικό χρόνο».

Λιλιπούτεια οικογένεια

Το Tremblaya είναι ένα από μια αναπτυσσόμενη οικογένεια εξαιρετικά μικρών ενδοσυμβιωτικών βακτηρίων, που ανακαλύφθηκαν τα τελευταία επτά χρόνια, τα οποία αμφισβήτησαν τις υποθέσεις των επιστημόνων σχετικά με το ελάχιστο σχέδιο της ζωής. «Βάζει κατά κάποιο τρόπο ένα όριο στην εξέλιξη. πόσο μπορείς να εξελιχθείς προς την αποτελεσματικότητα και να παραμείνεις άθικτος;» ρώτησε ο Moselio Schaechter, ομότιμος καθηγητής μικροβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Tufts στη Βοστώνη της Μασαχουσέτης.

Τα περισσότερα από τα τελευταία 40 χρόνια, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα μικρότερα γονιδιώματα ανήκαν σε βακτήρια του γένους Mycoplasma. Το Mycoplasma genitalium, το οποίο ζει στην ανθρώπινη γεννητική οδό με μόλις 482 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες (σε σύγκριση με περίπου 20.000 στο ανθρώπινο γονιδίωμα), έγινε το δεύτερο βακτηριακό γονιδίωμα που αλληλουχήθηκε ποτέ, το 1995, και παρέμεινε το μικρότερο γνωστό στους επιστήμονες για περίπου μια δεκαετία. . «Τα ενδοσυμβίοντα των εντόμων έσκασαν τις πόρτες από αυτόν τον αριθμό», είπε ο McCutcheon. (M. genitalium εξακολουθεί να θεωρείται ότι έχει το μικρότερο γονιδίωμα ενός ελεύθερα ζωντανού οργανισμού — σε αντίθεση με το Tremblaya, μπορεί να αναπτυχθεί στο εργαστήριο.)

Πολλοί επιστήμονες ενδιαφέρονται να μελετήσουν αυτούς τους μικροοργανισμούς γονιδιώματος για πρακτικούς λόγους. Ερευνητές στο Ινστιτούτο J. Craig Venter, για παράδειγμα, αναπτύσσουν ένα απογυμνωμένο βακτήριο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πλαίσιο για βιολογικές μηχανές που έχουν σχεδιαστεί για την παραγωγή καυσίμων, φαρμάκων ή άλλων χρήσιμων χημικών ουσιών.

Οι πιο βελτιωμένες μορφές ζωής της φύσης παρέχουν επίσης ένα μάθημα οικονομίας και συνεργασίας. «Ένας ενδοσύμβιος όπως ο Tremblaya είναι μια απεικόνιση του πώς μπορούν να γίνουν έξυπνοι οργανισμοί», είπε ο Schaechter. "Μπορείτε να δείτε την εξέλιξη μπροστά σας."

Η συλλογή βακτηρίων με μικροσκοπικά γονιδιώματα είναι εκπληκτικά ποικιλόμορφη, αφού προέκυψε από μια σειρά βακτηριακών προγόνων και έχοντας διατηρήσει και αποβάλει μια ποικιλία γονιδίων. Χάρη στο προστατευμένο περιβάλλον του κυττάρου ξενιστή, αυτοί οι οργανισμοί τείνουν να εξελίσσονται γρήγορα, με τον μικρότερο να μεταλλάσσεται τον ταχύτερο. Η Tremblaya και οι αντίστοιχοι της έχουν αποβάλει πολλά από τα γονίδια που εμπλέκονται στην επιδιόρθωση του DNA, επιταχύνοντας περαιτέρω τους ρυθμούς εξέλιξής τους. Έχουν επίσης χάσει τα γονίδια που απαιτούνται για την κατασκευή των προστατευτικών μεμβρανών που τα περικλείουν και αντίθετα πιστεύεται ότι βασίζονται σε συστατικά μεμβράνης από το κύτταρο ξενιστή. Τα γονίδια που διατηρούν αυτοί οι οργανισμοί τείνουν να εμπλέκονται στην παραγωγή θρεπτικών συστατικών για τον ξενιστή, καθώς και στη διεξαγωγή της λεγόμενης επιδιόρθωσης πληροφοριών, η οποία περιλαμβάνει την αντιγραφή του DNA και τη μετάφραση των γονιδίων σε πρωτεΐνες. (Τα ωφέλιμα ενδοσυμβίωση, όπως το Tremblaya, είναι αρκετά κοινά στα ασπόνδυλα, αλλά είναι σπάνια σε ανθρώπους και άλλα σπονδυλωτά.)

Ένας από τους πιο συναρπαστικούς λόγους για τη μελέτη των ενδοσυμβίων όπως το Tremblaya είναι να μάθουν για την εξέλιξη των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, δομών που συνδέονται με τη μεμβράνη μέσα στα κύτταρα που παράγουν ενέργεια. Η εμφάνισή τους πριν από περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο χρόνια ήταν ένα θεμελιώδες γεγονός για την ανάπτυξη των ευκαρυωτών, που περιλαμβάνουν φυτά, ζώα, πρωτίστες και μύκητες.

Οι επιστήμονες πρότειναν την ιδέα ότι αυτά τα οργανίδια εξελίχθηκαν από βακτήρια ήδη από τα τέλη του 1800, αν και η θεωρία δεν έγινε δημοφιλής μέχρι τη δεκαετία του 1970. Δύο βασικά γεγονότα επέτρεψαν στα οργανίδια να αναπτυχθούν:Τα πρόδρομα βακτήρια μετέφεραν πολλά από τα γονίδιά τους στο γονιδίωμα του ξενιστή και ανέπτυξαν μια μέθοδο μεταφοράς των πρωτεϊνών που παράγονται από αυτά και άλλα γονίδια πίσω στις δικές τους μεμβράνες. Τα ανθρώπινα μιτοχόνδρια, για παράδειγμα, έχουν μόλις 13 γονίδια που κωδικοποιούν τις δικές τους πρωτεΐνες, αλλά χρησιμοποιούν χιλιάδες πρωτεΐνες στην προσπάθειά τους να παράγουν ενέργεια για το κύτταρο.

Αν και η βακτηριακή τους προέλευση είναι πλέον καλά τεκμηριωμένη, παραμένουν πολλά ερωτήματα σχετικά με την εξέλιξη αυτών των οργανιδίων. Τα πανταχού παρόντα μιτοχόνδρια, για παράδειγμα, εξελίχθηκαν μόνο μία φορά και οι επιστήμονες μπορούν να δουν μόνο το αποτέλεσμα του γεγονότος και όχι την προέλευσή του. Το Tremblaya μπορεί να φωτίσει τη διαδικασία που οδήγησε στα μιτοχόνδρια. «Επειδή συνέβη μόνο μία φορά, είναι δύσκολο να γνωρίζουμε τι συνέβη», είπε ο McCutcheon. "Η μελέτη των ενδοσυμβίων δίνει κάποια εικόνα σε αυτό."

Βαθιά ενοποίηση

Το Tremblaya μοιράζεται ορισμένα χαρακτηριστικά με τα οργανίδια - το μέγεθος του γονιδιώματος του είναι παρόμοιο με αυτό ορισμένων μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών, του λείπουν πολλά ζωτικά γονίδια και η βιολογία του είναι βαθιά συνυφασμένη με αυτή του ξενιστή του. Μια προφανής διαφορά, ωστόσο, είναι ότι τα οργανίδια βρίσκονται σχεδόν σε κάθε κύτταρο ενός οργανισμού, ενώ τα ενδοσυμβίωση, επειδή ο κύριος ρόλος τους είναι να παρέχουν θρεπτικά συστατικά στους ξενιστές τους, βρίσκονται μόνο σε ορισμένα κύτταρα. Το Tremblaya, για παράδειγμα, βρίσκεται σε εξειδικευμένα κύτταρα που ονομάζονται βακτηρίδια.

Ένα από τα βασικά ερωτήματα γύρω από τη βιολογία του Tremblaya είναι πώς επιβιώνουν οι μικροσκοπικοί οργανισμοί. Μια θεωρία προτείνει ότι, όπως τα οργανίδια, έβαλαν τα γονίδια τους στους ξενιστές των εντόμων τους, κάτι που θα βοηθούσε στην εξήγηση του μικρού τους μεγέθους και θα τους έβαζε σε μια παρόμοια εξελικτική πορεία με τα μιτοχόνδρια. Η ομάδα του McCutcheon δεν είδε κανένα στοιχείο για αυτό στο τους Κελλί χαρτί, αλλά αυτό που βρήκαν είναι ακόμα πιο περίπλοκο.

Το γονιδίωμα του αλευριού φιλοξενεί 22 γονίδια από βακτήρια με προγόνους άσχετους με τους Tremblaya και Moranella, αλλά αυτά τα γονίδια, τα οποία κωδικοποιούν πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην παραγωγή βασικών θρεπτικών συστατικών και στη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος που περικλείει τα βακτήρια, «ταιριάζουν με πράγματα που λείπουν από τα συμβιώματα », είπε ο McCutcheon. «Αυτοί οι [οργανισμοί] δεν γίνονται μικροί μεταφέροντας γονίδια στον ξενιστή», είπε. «Μειώνονται με τη συμμετοχή βακτηριακών γονιδίων στον ξενιστή, ένα επίπεδο πολυπλοκότητας που δεν θα είχαμε προβλέψει».

Τα ευρήματα παρέχουν μια πιο λεπτομερή κατανόηση των διαφορών και των ομοιοτήτων των συμβιόντων με τα οργανίδια. Tremblaya δεν έχει μεταφέρει γονίδια στον ξενιστή του, μια καθοριστική ιδιότητα των οργανιδίων. Όμως, όπως Τα μιτοχόνδρια, υποδεικνύουν τα ευρήματα του McCutcheon, το Tremblaya συγκεντρώνει ορισμένες πρωτεΐνες που προέρχονται από τον ξενιστή που προέρχονται αρχικά από άλλους τύπους βακτηρίων. «Αυτή είναι μια θολή γκρίζα περιοχή. ο ξενιστής κωδικοποιεί γονίδια που χρειάζεται το συμβίωση για να επιβιώσει, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι ξενιστές στοχεύουν πρωτεΐνες στον οργανισμό», δήλωσε ο Patrick Keeling, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στο Κύτταρο μελέτη. "Αυτό είναι κάτι που κάνουν τα οργανίδια, αλλά όχι συνήθως τα ενδοσυμβίωση."

Δεν συμφωνούν όλοι αυτή την κατανόηση Το Tremblaya μπορεί να βοηθήσει στον φωτισμό της εξέλιξης των οργανιδίων. Ο Γουίλιαμ Μάρτιν, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Ντίσελντορφ στη Γερμανία, έγραψε σε ένα email ότι η Tremblaya είναι αντίθετα «μια όμορφη αντίθεση με τα οργανίδια». Σημείωσε, για παράδειγμα, ότι τα οργανίδια εισάγουν τη συντριπτική πλειονότητα των πρωτεϊνών από τον ξενιστή. Η Tremblaya φαίνεται επίσης να εισάγει κάποιες πρωτεΐνες, αλλά «απέχει πολύ από τη συσκευή εισαγωγής πρωτεϊνών των χλωροπλάστες και των μιτοχονδρίων», έγραψε.

Ακόμα κι αν το Tremblaya δεν πληροί όλες τις απαιτήσεις ενός οργανιδίου, το βακτήριο φαίνεται να είναι ενσωματωμένο στον ξενιστή του με τρόπο παρόμοιο με τα οργανίδια.

«Φαίνεται να είναι πιο ενσωματωμένοι σε περισσότερα επίπεδα από οποιοδήποτε άλλο ενδοσυμβίωμα και μοιράζονται αυτό το χαρακτηριστικό με τα οργανίδια», είπε ο Keeling, ο οποίος πρόσθεσε ότι το ερώτημα τι να αποκαλούμε την Tremblaya και άλλους μικροσκοπικούς ενδοκυτταρικούς κατοίκους μπορεί να «βράσει το αίμα ορισμένων ανθρώπων». (Είπε ότι προσωπικά δεν τον νοιάζει πώς λέγεται Tremblaya.)

Αν και σε κάποιο επίπεδο είναι θέμα σημασιολογίας, η συζήτηση αγγίζει επίσης το βαθύτερο ερώτημα του τι σημαίνει να είσαι ζωντανός.

Τα ενδοκυτταρικά παράσιτα που μελετά ο Keeling, τα οποία έχουν επίσης μειωμένα γονιδιώματα και δεν είναι σε θέση να παράγουν τη δική τους πηγή ενέργειας ή να επιβιώσουν χωρίς τους ξενιστές τους, θεωρούνται συνήθως ως οργανισμοί. "Αλλά κανείς δεν αναφέρεται στα μιτοχόνδρια ως οργανισμό επειδή είναι τόσο ενσωματωμένα με τον ξενιστή του", είπε.

Η διαφορά είναι ότι τα παράσιτα του Keeling κλέβουν ενέργεια, με τη μορφή ενός μορίου που ονομάζεται τριφωσφορική αδενοσίνη ή ATP, από τους ξενιστές τους, αλλά διαθέτουν τα απαραίτητα γονίδια για την αναπαραγωγή του DNA. Ένα οργανίδιο, από την άλλη πλευρά, βασίζεται σε πρωτεΐνες που παρέχονται από τον ξενιστή για την αντιγραφή του DNA του. «Αποφασίσαμε αυθαίρετα ότι η κλοπή ATP από έναν ξενιστή αποτελεί οργανισμό και η κλοπή πρωτεϊνών όχι», είπε ο Keeling. "Είναι πραγματικά απλώς θέμα βαθμών."