Τα βακτήρια στους μύκητες παρέχουν ενδείξεις για την προέλευση της πολύπλοκης ζωής

Τα βακτήρια στους μύκητες παρέχουν ενδείξεις για την προέλευση της πολύπλοκης ζωής

Οι επιστήμονες χρησιμοποιώντας μια μικροσκοπική κούφια βελόνα και μια αντλία ποδηλάτου κατάφεραν να εμφυτεύσουν βακτήρια σε ένα μεγαλύτερο κύτταρο. Αυτό δημιουργεί μια σχέση παρόμοια με εκείνες που οδήγησαν στην εξέλιξη της περίπλοκης ζωής.

Αυτό το επίτευγμα δημοσιεύτηκε στις 2 Οκτωβρίου στο περιοδικό Nature 1, θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν την προέλευση των συνεργασιών που οδήγησαν στην εμφάνιση εξειδικευμένων οργανιδίων όπως τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες πριν από περισσότερα από ένα δισεκατομμύριο χρόνια.

Οι ενδοσυμβιωτικές σχέσεις, στις οποίες ένας μικροβακτηριακός σύντροφος ζει αρμονικά μέσα στα κύτταρα ενός άλλου οργανισμού, βρίσκονται σε πολυάριθμες μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένων των εντόμων και των μυκήτων. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα μιτοχόνδρια - τα οργανίδια που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή ενέργειας στα κύτταρα - προέκυψαν όταν ένα βακτήριο βρήκε καταφύγιο σε έναν πρόγονο ευκαρυωτικών κυττάρων. Οι χλωροπλάστες εμφανίστηκαν όταν ένας πρόγονος των φυτών απορρόφησε έναν φωτοσυνθετικό μικροοργανισμό.

Ο προσδιορισμός των παραγόντων που σχημάτισαν και διατήρησαν αυτές τις συνδέσεις είναι δύσκολος επειδή συνέβησαν πολύ καιρό πριν. Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, μια ομάδα με επικεφαλής τη μικροβιολόγο Julia Vorholt στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη (ETH Zurich) έχει αναπτύξει ενδοσυμβιωτικές σχέσεις στο εργαστήριο τα τελευταία χρόνια. Η προσέγγισή τους χρησιμοποιεί μια βελόνα πλάτους 500-1000 νανομέτρων για να τρυπήσει τα κύτταρα-ξενιστές και στη συνέχεια να εισάγει βακτηριακά κύτταρα ένα-ένα.

Ωστόσο, οι πρώτες προσπάθειες συχνά απέτυχαν. Ένας λόγος γι' αυτό ήταν ότι το πιθανό συμβίωτο διαιρέθηκε πολύ γρήγορα και σκότωσε τον οικοδεσπότη του 2. Η ομάδα είχε μεγαλύτερη επιτυχία όταν αναδημιούργησε μια φυσική συμβίωση μεταξύ ορισμένων στελεχών του παθογόνου φυτού Rhizopus microsporus και του βακτηρίου Mycetohabitans rhizoxinica, το οποίο παράγει μια τοξίνη που προστατεύει τον μύκητα από τη θήρα.

Ωστόσο, η εισαγωγή βακτηριακών κυττάρων στους μύκητες ήταν πρόκληση επειδή έχουν παχιά κυτταρικά τοιχώματα που διατηρούν υψηλή εσωτερική πίεση. Αφού τρύπησαν τον τοίχο με τη βελόνα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια αντλία ποδηλάτου - αργότερα έναν συμπιεστή - για να διατηρήσουν αρκετή πίεση για να εισαγάγουν τα βακτήρια.

Μετά το αρχικό σοκ της «χειρουργικής», οι μύκητες συνέχισαν τον κύκλο ζωής τους, παράγοντας σπόρια, μερικά από τα οποία περιείχαν βακτήρια. Όταν αυτά τα σπόρια φύτρωσαν, βακτήρια υπήρχαν επίσης στα κύτταρα της επόμενης γενιάς μυκήτων. Αυτό έδειξε ότι η νέα ενδοσυμβίωση θα μπορούσε να μεταφερθεί στους απογόνους - ένα κρίσιμο εύρημα.

Ωστόσο, η επιτυχία βλάστησης των σπορίων που περιείχαν βακτήρια ήταν χαμηλή. Σε έναν μικτό πληθυσμό σπορίων (μερικοί με βακτήρια και άλλοι χωρίς), αυτά που περιείχαν βακτήρια εξαφανίστηκαν μετά από δύο γενιές. Για να βελτιώσουν τις σχέσεις, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν διαλογέα φθορίζοντος κυττάρου για να επιλέξουν σπόρια που περιέχουν βακτήρια - τα οποία είχαν επισημανθεί με μια λαμπερή πρωτεΐνη - και διαδόθηκαν μόνο αυτά τα σπόρια σε μελλοντικούς γύρους αναπαραγωγής. Μετά από δέκα γενιές, τα σπόρια που περιείχαν βακτήρια φύτρωσαν σχεδόν εξίσου αποτελεσματικά με εκείνα χωρίς βακτήρια.

Η βάση για αυτήν την προσαρμογή δεν είναι σαφής. Η αλληλουχία του γονιδιώματος εντόπισε ορισμένες μεταλλάξεις που σχετίζονται με βελτιωμένη επιτυχία βλάστησης στον μύκητα - ένα στέλεχος του R. microsporus που δεν είναι γνωστό ότι φέρει ενδοσυμβίωση - και δεν βρήκε αλλαγές στα βακτήρια.

Η σειρά που φύτρωσε πιο αποτελεσματικά φάνηκε να περιορίζει τον αριθμό των βακτηρίων σε κάθε σπόρο, λέει ο Gabriel Giger, συν-συγγραφέας της μελέτης και μικροβιολόγος στο ETH Zurich. "Υπάρχουν τρόποι με τους οποίους αυτοί οι δύο σύντροφοι μπορούν να συμβιώσουν καλύτερα και πιο εύκολα. Αυτό είναι κάτι που είναι πολύ σημαντικό να καταλάβουμε."

Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμη πολλά για το ανοσοποιητικό σύστημα των μυκήτων. Αλλά ο Thomas Richards, ένας εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, στο Ηνωμένο Βασίλειο, αναρωτιέται εάν ένα μυκητιακό ανοσοποιητικό σύστημα αποτρέπει τη συμβίωση - και εάν οι μεταλλάξεις σε αυτό το σύστημα θα μπορούσαν να διευκολύνουν τις σχέσεις. «Είμαι μεγάλος θαυμαστής αυτής της δουλειάς», προσθέτει.

Η Eva Nowack, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο Heinrich Heine του Ντίσελντορφ της Γερμανίας, εξεπλάγη με το πόσο γρήγορα φαινόταν να εμφανίζονται οι προσαρμογές στη συμβιωτική ζωή. Στο μέλλον, θα ήθελε να δει τι θα συμβεί μετά από ακόμη μεγαλύτερες χρονικές περιόδους. για παράδειγμα, μετά από περισσότερες από 1.000 γενιές.

Η ανάπτυξη τέτοιων συμβιών θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία νέων οργανισμών με χρήσιμες ιδιότητες, όπως η ικανότητα κατανάλωσης διοξειδίου του άνθρακα ή ατμοσφαιρικού αζώτου, λέει ο Vorholt. «Αυτή είναι η ιδέα: να δημιουργηθούν νέες ιδιότητες που δεν έχει ένας οργανισμός και που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο να εφαρμοστούν».

1. Giger, G.H. et al. Φύση https://doi.org/10.1038/s41586-024-08010-x (2024).

   Αρθρο  
   
   Google Scholar  

2. Gäbelein, C. G., Reiter, Μ. Α., Ernst, C., Giger, G. Η. & Vorholt, J. Α. ACS Synth. Biol. 11, 3388–3396 (2022).

   Αρθρο  
   
   Google Scholar  

Λήψη παραπομπών