Αρχαία γονίδια για συμβίωση Υπόδειξη για την προέλευση των μιτοχονδρίων

Κάποτε, πριν από πολύ καιρό, οι μόνοι παίκτες στο μεγάλο δράμα της ζωής, της αρπακτικής και του θανάτου ήταν αόρατα μικρά και απλά κελιά. Οι αρχαίες και τα βακτήρια κινούνταν και στροβιλίζονταν μέσα από θάλασσες και λίμνες, συγκεντρώθηκαν σε φρούρια πλάτους λίγων μικρών και καταβρόχθισαν μεμβράνες οργανικής ύλης. Στη συνέχεια, μερικά από αυτά άρχισαν να αλλάζουν και τελικά ο πρώτος ευκαρυώτης - ο πρώτος οργανισμός που κράτησε τα γονίδιά του κλειδωμένα σε έναν πυρήνα, που επένδυσε το εσωτερικό του με διακλαδιζόμενα διαμερίσματα και, κυρίως, χρησιμοποίησε μιτοχόνδρια για να παράγει ενέργεια - εμφανίστηκε στη σκηνή . Εμείς και όλη η υπόλοιπη ζωή ορατή με γυμνό μάτι είμαστε απόγονοι αυτού του κυττάρου, του τελευταίου κοινού πρόγονου όλων των ευκαρυωτών.

Οι επιστήμονες εξακολουθούν να καταλαβαίνουν σχετικά λίγα για το τι συνέβη κατά τη διάρκεια αυτού του μετασχηματισμού. Ένα από τα κεντρικά αινίγματα είναι πώς και πότε ο ευκαρυωτικός μας πρόγονος απέκτησε τα μιτοχόνδριά του, τα οργανίδια που παράγουν την ενέργεια του κυττάρου. Το μιτοχόνδριο ήταν ξεκάθαρα κάποτε ένα ανεξάρτητο βακτήριο, έως ότου κάποιο κύτταρο ξενιστής (αρχαιώνας ή απόγονος ενός, από όλα τα στοιχεία) το κατέκλυσε και το μετέτρεψε σε μόνιμο συμβιωτικό σύντροφο.

Αλλά ο τρόπος με τον οποίο τα ευκαρυωτικά κύτταρα καταβροχθίζουν τα βακτήρια είναι ενεργειακά δαπανηρός. περιλαμβάνει εκτεταμένη και ταχεία αναδιαμόρφωση του κυτταροσκελετού, του ικριώματος πρωτεΐνης κάτω από την κυτταρική μεμβράνη. Ένα κύτταρο χρειάζεται σχεδόν να έχει μιτοχόνδρια για να το κάνει, αφού τα μιτοχόνδρια μπορούν να αποσπάσουν περίπου 18 φορές περισσότερη ενέργεια από ένα μόριο γλυκόζης από τη γλυκόλυση και τη ζύμωση, τις εναλλακτικές μεταβολικές διεργασίες. Έτσι, οι επιστήμονες συζητούν ποιο ήταν το πρώτο:το μιτοχόνδριο ή η διαδικασία κατάρρευσης, γνωστή ως φαγοκυττάρωση.

Οι δύο επιλογές προτείνουν πολύ διαφορετικές ιστορίες προέλευσης για τους ευκαρυώτες:Ήταν το μιτοχόνδριο μια μεταγενέστερη σκέψη, μια καθυστερημένη άφιξη στην εξέλιξη του πρώτου ευκαρυώτικου; Ή μήπως ήρθε νωρίς, με τις θεαματικές του δυνάμεις παραγωγής ενέργειας, και οδήγησε τις αλλαγές στον πρόγονό μας;

Μια πρόσφατη εργασία στο Μοριακή Βιολογία και Εξέλιξη παρέχει μια ενδιαφέρουσα ματιά στο τι θα μπορούσε να είχε συμβεί όταν αυτό το δίλημμα κοτόπουλο ή αυγό διαδραματίστηκε πριν από περισσότερα από 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Οι ερευνητές ανέλυσαν την αλληλουχία του DNA περισσότερων από 30 ειδών παρασιτικών και συμβιωτικών βακτηρίων που, όταν καταποντίζονται από ευκαρυωτικά κύτταρα, αποφεύγουν την πέψη και ζουν από τους πόρους των ξενιστών τους. Η ικανότητα να μένει κανείς μέσα σε ευκαρυωτικά κύτταρα, συνειδητοποίησαν οι επιστήμονες, φαινόταν εντυπωσιακά μεγαλύτερη από το αναμενόμενο. Υποδηλώνει —με ορισμένες σημαντικές προειδοποιήσεις— ότι κάποια εκδοχή της φαγοκυττάρωσης προϋπήρχε των μιτοχονδρίων, θέτοντας το υπόβαθρο για την επανάσταση που θα έρθει.

Ο Lionel Guy, εξελικτικός μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία και συγγραφέας της νέας εργασίας, άρχισε να προσδιορίζει την αλληλουχία βακτηρίων της τάξης των Legionellales πριν από μερικά χρόνια επειδή περιέχει σημαντικά παθογόνα, όπως αυτό που προκαλεί τη νόσο των Λεγεωνάριων, αλλά γενετικές λεπτομέρειες για ομάδα ήταν σπάνια. "Ήξερα ότι υπήρχαν περισσότερα σε αυτούς και ήθελα να έχω μια ολοκληρωμένη άποψη της παραγγελίας", είπε.

Ενδιαφερόταν ιδιαίτερα για τα γονίδια που επηρεάζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των βακτηρίων και των ξενιστών τους. Αυτά τα γονίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες που στοχεύουν τα ευκαρυωτικά μοριακά συστήματα για να παρεμβαίνουν στην ικανότητα του ξενιστή να αισθάνεται τον εισβολέα, μεταξύ άλλων πλεονεκτημάτων για το παράσιτο.

Ο Γκάι και οι συνεργάτες του ανέλυσαν την αλληλουχία των γονιδίων των μελών των Legionellales που κυμαίνονταν από το παθογόνο της νόσου των Λεγεωναρίων έως τα βακτήρια που ανακαλύφθηκαν από αποστολές που σέρνουν τον ωκεανό για εξωτικά μικρόβια. Όπως ήταν αναμενόμενο, οι πρωτεΐνες που χρησιμοποιούσαν τα παράσιτα για να καλύπτουν την παρουσία τους και να εξάγουν θρεπτικά συστατικά από τους ξενιστές τους διέφεραν σημαντικά. Αλλά οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι σχεδόν όλοι οι Legionellales ανέπτυξαν αυτές τις πρωτεΐνες με ουσιαστικά τον ίδιο μοριακό μηχανισμό, που ονομάζεται σύστημα έκκρισης τύπου IVB, το οποίο φαινομενικά κληρονόμησαν από έναν κοινό πρόγονο πριν από αμέτρητες γενιές.

«Στη συνέχεια, σε ένα πρόσφατο στάδιο, πήρα την ερώτηση ενός εκατομμυρίου δολαρίων» από έναν συνάδελφο, θυμάται ο Γκάι. «Πόσο χρονών ακριβώς είναι αυτοί οι Λεγεωνέλλες;» Η απάντηση, συνειδητοποίησε, θα μπορούσε να φωτίσει τη φύση των κυττάρων-ξενιστών.

Ο καθορισμός ημερομηνίας για την προέλευση μιας βακτηριακής ομάδας είναι μια περίπλοκη διαδικασία και συχνά ανεπιτυχής. Όταν οι βιολόγοι χτίζουν ένα οικογενειακό δέντρο για οργανισμούς με προγόνους στο αρχείο απολιθωμάτων, μπορούν να υπολογίσουν πόσο καιρό πριν προέκυψαν οι βραχώδεις σχηματισμοί που κρατούσαν αυτά τα απολιθώματα. Με τα βακτήρια, είναι διαφορετικά. Οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν τις οικογενειακές σχέσεις από τα γονίδια, αλλά συνήθως δεν μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια πόσα εκατομμύρια χρόνια πριν μια ομάδα διακλαδίστηκε από μια άλλη. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν μια χούφτα τρόπους για να προσδιορίσουν την ηλικία των βακτηρίων, κυρίως ελέγχοντας για χημικούς δείκτες σε πετρώματα για τα οποία τα βακτήρια είναι η μόνη γνωστή πηγή.

Ο Γκάι είχε διαβάσει ένα χαρτί από το 2008 για έναν από αυτούς τους δείκτες, μια ουσία που ονομάζεται οκενόνη που παράγουν ορισμένα μωβ βακτήρια θείου. Ίχνη του είχαν βρεθεί σε σχηματισμό βράχου στην Αυστραλία που χρονολογείται πριν από 1,64 δισεκατομμύρια χρόνια. Χρησιμοποιώντας μια σειρά από συμπεράσματα που βασίζονται στη συγγένεια των βακτηρίων του μωβ θείου και των Legionellales, ο Guy και οι συνεργάτες του χρονολόγησαν προσωρινά την προέλευση της ομάδας Legionellales πριν από 1,9 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αυτός είναι ένας προκλητικός αριθμός. Εάν η ομάδα είναι τόσο παλιά και κληρονόμησε τον μηχανισμό της για την πειρατεία ευκαρυωτικών κυττάρων από τον πρώτο κοινό πρόγονό της, αυτό υποδηλώνει ότι υπήρχαν ευκαρυωτικά κύτταρα ικανά να μολύνουν τη φαγοκυττάρωση.

Αλλά πολλές τρέχουσες εκτιμήσεις, βασισμένες σε απολιθώματα και χημικά στοιχεία, τοποθετούν την πρώτη εμφάνιση κυττάρων με μιτοχόνδρια σχεδόν μισό δισεκατομμύριο χρόνια αργότερα. Ο χρονισμός προσδίδει αξιοπιστία, προτείνουν οι ερευνητές, στη θεωρία ότι τα μιτοχόνδρια ήταν μια όψιμη προσθήκη στους εξελισσόμενους ευκαρυώτες.

Είναι μια έξυπνη αντιμετώπιση ενός ακανθώδους προβλήματος, είπε ο Berend Snel, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης που έχει εξερευνήσει την πρώιμη εξέλιξη των ευκαρυωτών χρησιμοποιώντας γενετική. Αυτός και οι συνάδελφοί του έχουν επίσης προτείνει ότι όταν το μιτοχόνδριο έφτασε, μετακινήθηκε σε ένα κύτταρο ξενιστή που είχε ήδη κάποια βασικά στοιχεία πολυπλοκότητας. Από την ανάλυση των Legionellales, ο Snel πιστεύει ότι ο Guy και οι συνεργάτες του κάνουν «μια πειστική υπόθεση» ότι αυτή η σειρά βακτηρίων ζει σε ευκαρυώτες επειδή ο κοινός τους πρόγονος είχε έναν τρόπο να ζει μέσα σε ένα φαγοκυτταρικό κύτταρο. "Και αυτός είναι, νομίζω, ένας πολύ έξυπνος και πρωτότυπος συμπληρωματικός τρόπος για να δούμε το ίδιο πρόβλημα", είπε.

Ωστόσο, δεν τελειώνει η συζήτηση σχετικά με την προέλευση των μιτοχονδρίων, για τουλάχιστον δύο λόγους.

Το συμπέρασμα του Guy ότι οι πρόγονοι των Legionellales μπορεί να είχαν μολύνει έναν πρωτο-ευκαρυώτη πριν από την άφιξη των μιτοχονδρίων εξαρτάται από τη χρονολόγηση της οκενόνης. Οι υπολογισμοί μοριακού ρολογιού αυτού του είδους είναι εμφανώς ασαφείς, με μεγάλα περιθώρια λάθους.

Επομένως, τέτοιοι συγχρονισμοί αντιμετωπίζονται καλύτερα ως ένα μέρος ενός παζλ παρά ως δήλωση γεγονότος, είπε ο Toni Gabaldón, εξελικτικός βιολόγος και γενετιστής στο Ινστιτούτο Έρευνας στη Βιοϊατρική στη Βαρκελώνη και στο Κέντρο Υπερυπολογιστών της Βαρκελώνης. «Πάντα το θεωρώ αυτό με λίγο αλάτι. Δεν είναι αλεξίσφαιρα δεδομένα, είναι ένα συμπέρασμα, ένα πολύ δύσκολο συμπέρασμα, γιατί μιλάμε για πολύ χρόνο», είπε.

Υπάρχουν επίσης μηχανισμοί διαφορετικοί από τη φαγοκυττάρωση που μπορεί να έχουν φέρει τον βακτηριακό πρόγονο των μιτοχονδρίων στον πρόγονο των ευκαρυωτών. Ο William Martin, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine του Ντίσελντορφ, ο οποίος έχει γράψει εκτενώς για την προέλευση των μιτοχονδρίων, είναι κατηγορηματικός ότι τα μιτοχόνδρια ήταν απαραίτητα για την εξέλιξη της φαγοκυττάρωσης και όχι το αντίστροφο. Σε μια εμβληματική εργασία του 1998, ο Martin και ο συνάδελφός του Miklós Müller του Πανεπιστημίου Rockefeller εξέθεσαν πώς ένας αρχαιώνας που κατανάλωνε υδρογόνο και ένα βακτήριο που το παρήγαγε θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει μια άνετη συμβίωση δίπλα-δίπλα. Με την πάροδο του χρόνου, προεξοχές από τον αρχαίο θα μπορούσαν να έχουν περικυκλώσει το βακτήριο και να το έχουν καταβροχθίσει.

Εάν αυτός είναι ένας πιο εύλογος τρόπος για τα μιτοχόνδρια να έχουν εισέλθει σε ένα κύτταρο, τότε οποιαδήποτε απόδειξη ότι ο πρόγονος των Legionellales μπορεί να μόλυνε πρωτο-ευκαρυώτες δεν είναι σχετική με τη συζήτηση, επειδή η φαγοκυττάρωση δεν αποτελεί προϋπόθεση για την άφιξη του μιτοχονδρίου. /P>

Η απογοητευτική πρόκληση για οποιαδήποτε θεωρία σχετικά με την προέλευση των μιτοχονδρίων είναι ότι υπάρχουν πολλές λεπτομέρειες που πρέπει να ληφθούν υπόψη και όλες είναι σημαντικές, είπε ο Snel. «Δεν λύνει το πρόβλημα, γιατί το πρόβλημα είναι πολύ μεγάλο», είπε για τη νέα εφημερίδα. Τα κρίσιμα γεγονότα συνέβησαν κατά τη διάρκεια μιας εξαιρετικά μεγάλης σκοτεινής εποχής, χωρίς να έχουν απομείνει ενδιάμεσες μορφές που να βοηθούν στην αφήγηση της ιστορίας. Οι πληροφορίες που πρέπει να αντλήσουμε για να κατανοήσουμε αυτήν την εικόνα βρίσκονται διάσπαρτες στα γονιδιώματα των οργανισμών που προέκυψαν από αυτήν την αφάνεια.

«Η ιστορία της ζωής είναι γραμμένη στα γονιδιώματα. απλά πρέπει να μάθουμε πώς να το διαβάζουμε», είπε ο Μάρτιν.

Για να κατανοήσουν πώς συνέβη αυτή η θεμελιώδης μετάβαση, οι επιστήμονες ίσως χρειαστεί να εξετάσουν το πρόβλημα από νέες οπτικές γωνίες. Για παράδειγμα, λέει ο Snel, συνήθως πιστεύεται ότι η πρώτη μεγάλη αλλαγή στην εξέλιξη των ευκαρυωτών, όποια κι αν ήταν, έθεσε τη βάση για όλα τα άλλα.

Αλλά η τελευταία προσθήκη στην εργαλειοθήκη των προγόνων μας μπορεί να αποδειχθεί ακόμη πιο απαραίτητη για την κατανόηση των ευκαρυωτών. «Όποιο και αν ήταν το τελικό βήμα, προκάλεσε τον αφανισμό όλων των άλλων ανταγωνιστών. Ίσως αυτό ήταν το πιο σημαντικό», είπε ο Snel.

«Στους επιστήμονες αρέσει ένα καλό μυστήριο», είπε. "Θέλω απλώς να μάθω τι συνέβη."