Od Poli Dec
Najmniejszy znak życia odkryli polscy naukowcy. fot. 123rf
Niektóre organizmy żyją tak blisko granicy istnienia, że bardziej przypominają element komórki niż samodzielne formy życia. Polscy naukowcy opisali bakterie, których genomy są najmniejsze spośród wszystkich dotąd znanych – i pokazali, jak daleko ewolucja potrafi posunąć się w upraszczaniu życia.
Symbioza trwająca setki milionów lat
Polscy badacze odkryli i opisali najmniejsze znane genomy bakteryjne, liczące zaledwie kilkadziesiąt genów – niewiele ponad 1 proc. liczby genów typowej dla większości bakterii. Wyniki badań opublikowano na łamach Nature Communications.
Badania przeprowadzili biolodzy z Uniwersytet Jagielloński oraz Muzeum i Instytut Zoologii PAN. Opisane genomy należą do dwóch gatunków bakterii: Candidatus Sulcia muelleri oraz Candidatus Vidania fulgoroidea.
Oba mikroorganizmy żyją w ścisłej symbiozie z owadami z grupy piewików, należących do pluskwiaków. Jak wyjaśnili naukowcy, relacja ta trwa nieprzerwanie od ponad 260 mln lat.
Bakterie uzupełniają dietę owadów w niezbędne aminokwasy, a w zamian otrzymują stabilne środowisko życia we wnętrzu gospodarza. W toku tej długotrwałej współpracy stopniowo traciły zdolność samodzielnego funkcjonowania poza organizmem owada.
Jak ewolucja obcina genomy?
Wraz z utratą samodzielności genomy bakterii ulegały coraz większej redukcji, osiągając rozmiary niespotykane dotąd u żadnych innych organizmów komórkowych.
„Wielkość genomu, czyli ilość DNA i liczba genów, wyznacza zakres funkcji, jakie organizm może realizować samodzielnie. U większości bakterii genomy liczą kilka tysięcy genów i umożliwiają względnie niezależne życie w zmiennym środowisku. W przypadku bakterii żyjących w ścisłej symbiozie z owadami sytuacja wygląda inaczej: zamieszkując tkanki gospodarza (…) mogą funkcjonować z wielokrotnie mniejszą liczbą genów, polegając niemal całkowicie na białkach i innych związkach dostarczanych przez gospodarza” – wyjaśnili naukowcy z UJ.
Jak dodali, genomy tych symbiontów zostały ograniczone do najbardziej konserwowanego zestawu genów, pozwalającego jedynie na produkcję aminokwasów, przetwarzanie informacji genetycznej i realizację podstawowych procesów metabolicznych.
Jedna funkcja, jeden aminokwas
Szczególnie skrajny przykład stanowią szczepy Vidania. Ich genomy zachowały zdolność biosyntezy tylko jednego aminokwasu – fenyloalaniny, kluczowej m.in. dla budowy i utwardzania oskórka owadów. Jednocześnie silnie zredukowane zostały geny odpowiadające za metabolizm i przetwarzanie informacji genetycznej.
„Co istotne, tak skrajna redukcja wyewoluowała niezależnie w różnych liniach gospodarzy, co wskazuje na istnienie silnych ograniczeń ewolucyjnych i powtarzalność tego procesu” – napisali autorzy odkrycia.
Genomy, które wciąż się rozpadają
Badania wykazały, że nawet po setkach milionów lat symbiozy redukcja genomu nie zawsze prowadzi do stabilnego stanu. W niektórych liniach rozwojowych zaobserwowano dalsze radykalne zmiany, takie jak fragmentacja genomu na mniejsze cząsteczki DNA czy rozpad jednego symbionta na kilka współzależnych linii bakteryjnych.
Tempo i kierunek tych procesów zależą m.in. od diety gospodarza oraz obecności innych mikroorganizmów, które mogą przejmować funkcje utracone przez pradawne bakterie.
Na granicy życia komórkowego
Autorzy podkreślili, że opisane symbionty znajdują się na granicy samodzielnego życia komórkowego i pod wieloma względami przypominają organelle, takie jak mitochondria czy chloroplasty, które również wywodzą się z dawnych bakterii.
Najmniejszy z opisanych genomów liczył zaledwie 50–52 tysiące par zasad DNA i nieco ponad 60 genów kodujących białka – mniej niż w chloroplastach, które zawierają od 120 do 160 tysięcy par zasad.
Zdaniem badaczy odkrycie pozwala lepiej zrozumieć, jakie minimalne funkcje są niezbędne do istnienia komórki. Ma to znaczenie zarówno dla badań nad początkami życia na Ziemi, jak i nad jego potencjalnym występowaniem poza naszą planetą.
Praca polskich naukowców może również inspirować biologię syntetyczną i biotechnologię, w których trwają próby projektowania komórek o maksymalnie uproszczonych genomach do zastosowań w medycynie, rolnictwie i przemyśle.
„Wreszcie badania te podkreślają znaczenie relacji i współzależności w przyrodzie. Pokazują, że ewolucja nie zawsze prowadzi do większej złożoności i samodzielności, lecz często do głębokiej specjalizacji i współpracy. Zrozumienie takich układów ma znaczenie dla ochrony bioróżnorodności i stabilności ekosystemów, w których nawet mikroskopijne organizmy pełnią kluczowe, choć nieoczywiste i niewidoczne na pierwszy rzut oka role” – podsumowali badacze.