Sienissä olevat bakteerit antavat vihjeitä monimutkaisen elämän alkuperästä

Sienissä olevat bakteerit antavat vihjeitä monimutkaisen elämän alkuperästä

Pientä onttoa neulaa ja polkupyörän pumppua käyttävät tutkijat ovat onnistuneet istuttamaan bakteereja suurempaan soluun. Tämä luo samankaltaisen suhteen kuin ne, jotka ajoivat monimutkaisen elämän kehitystä.

Tämä saavutus julkaistiin 2. lokakuuta Nature-lehdessä 1, voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään kumppanuuksien alkuperää, jotka johtivat erikoistuneiden organellien, kuten mitokondrioiden ja kloroplastien, syntymiseen yli miljardi vuotta sitten.

Endosymbioottisia suhteita, joissa mikrobakteerikumppani elää harmonisesti toisen organismin soluissa, löytyy lukuisista elämänmuodoista, mukaan lukien hyönteisistä ja sienistä. Tutkijat uskovat, että mitokondriot - solujen energiantuotannosta vastaavat organellit - syntyivät, kun bakteeri löysi turvapaikan eukaryoottisolujen esi-isästä. Kloroplastit syntyivät, kun kasvien esi-isä absorboi fotosynteettistä mikro-organismia.

Näiden yhteyksien muodostaneiden ja ylläpitävien tekijöiden määrittäminen on vaikeaa, koska ne tapahtuivat niin kauan sitten. Tämän ongelman kiertämiseksi mikrobiologi Julia Vorholtin johtama ryhmä Sveitsin liittovaltion teknologiainstituutista Zürichissä (ETH Zurich) on kehittänyt endosymbioottisia suhteita laboratoriossa viime vuosina. Heidän lähestymistapansa käyttää 500-1000 nanometriä leveää neulaa isäntäsolujen puhkaisemiseen ja sitten bakteerisolujen viemiseen yksi kerrallaan.

Ensimmäiset yritykset epäonnistuivat kuitenkin usein; yksi syy tähän oli se, että mahdollinen symbiootti jakautui liian nopeasti ja tappoi isäntänsä 2. Ryhmä menestyi paremmin, kun se loi uudelleen luonnollisen symbioosin joidenkin sienitautogeenin Rhizopus microsporus -kantojen ja Mycetohabitans rhizoxinica -bakteerin välillä, joka tuottaa myrkkyä, joka suojaa sientä saalistukselta.

Bakteerisolujen tuominen sieniin oli kuitenkin haastavaa, koska niillä on paksut soluseinät, jotka ylläpitävät korkeaa sisäistä painetta. Lävistettyään seinän neulalla tutkijat käyttivät polkupyörän pumppua - myöhemmin kompressoria - ylläpitämään tarpeeksi painetta bakteerien tuomiseksi.

"Leikkauksen" aiheuttaman ensimmäisen shokin jälkeen sienet jatkoivat elinkaartaan tuottaen itiöitä, joista osa sisälsi bakteereja. Kun nämä itiöt itävät, bakteereja oli läsnä myös seuraavan sukupolven sienisoluissa. Tämä osoitti, että uusi endosymbioosi voitiin siirtää jälkeläisiin - ratkaiseva havainto.

Bakteereja sisältävien itiöiden itävyys oli kuitenkin heikko. Itiöiden sekapopulaatiosta (joissakin oli bakteereja ja toisissa ilman), bakteereja sisältävät itiöt hävisivät kahden sukupolven jälkeen. Suhteiden parantamiseksi tutkijat käyttivät fluoresoivaa solulajittelulaitetta valitakseen bakteereja sisältäviä itiöitä - jotka oli merkitty hehkuvalla proteiinilla - ja levittivät vain näitä itiöitä tulevissa lisääntymiskierroksissa. Kymmenen sukupolven jälkeen bakteereja sisältävät itiöt itävät lähes yhtä tehokkaasti kuin ilman bakteereja.

Tämän mukautuksen perusteet eivät ole selvät. Genomisekvensointi identifioi joitain mutaatioita, jotka liittyvät parantuneeseen itämisen onnistumiseen sienessä - R. microsporus -kannassa, jonka ei tiedetä kantavan endosymbiontteja, eikä bakteereissa havaittu muutoksia.

Tehokkaimmin itänyt linja näytti rajoittavan bakteerien määrää kussakin itiössä, sanoo Gabriel Giger, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja ETH Zürichin mikrobiologi. "On olemassa tapoja, joilla nämä kaksi kumppania voivat elää yhdessä paremmin ja helpommin. Tämä on meille erittäin tärkeää ymmärtää."

Tutkijat eivät vielä tiedä paljon sienten immuunijärjestelmästä. Mutta Thomas Richards, evoluutiobiologi Oxfordin yliopistosta Iso-Britanniasta, pohtii, estääkö sieni-immuunijärjestelmä symbioosia - ja voisivatko tämän järjestelmän mutaatiot helpottaa suhteita. "Olen tämän työn suuri fani", hän lisää.

Eva Nowack, mikrobiologi Heinrich Heinen yliopistosta Düsseldorfista Saksasta, oli yllättynyt siitä, kuinka nopeasti sopeutuminen symbioottiseen elämään näytti ilmaantuvan. Jatkossa hän haluaisi nähdä, mitä tapahtuu vielä pidemmän ajan kuluttua; esimerkiksi yli 1000 sukupolven jälkeen.

Tällaisten symbioosien kehittyminen voi johtaa uusien organismien syntymiseen, joilla on hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten kyky kuluttaa hiilidioksidia tai ilmakehän typpeä, Vorholt sanoo. "Se on idea: luoda uusia ominaisuuksia, joita organismilla ei ole ja joita muuten olisi vaikea toteuttaa."

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

   Artikla  
   
   Google Scholar  

2. Gäbelein, C. G., Reiter, M. A., Ernst, C., Giger, G. H. & Vorholt, J. A. ACS Synth. Biol. 11, 3388–3396 (2022).

   Artikla  
   
   Google Scholar  

Lataa viitteitä