Bakterier i sopp gir ledetråder til opprinnelsen til komplekst liv

Bakterier i sopp gir ledetråder til opprinnelsen til komplekst liv

Forskere ved hjelp av en liten hul nål og en sykkelpumpe har klart å implantere bakterier i en større celle. Dette skaper et forhold som ligner på de som drev utviklingen av komplekst liv.

Denne prestasjonen, publisert 2. oktober i tidsskriftet Nature 1, kan hjelpe forskere med å forstå opprinnelsen til partnerskap som førte til fremveksten av spesialiserte organeller som mitokondrier og kloroplaster for mer enn en milliard år siden.

Endosymbiotiske forhold, der en mikrobakteriell partner lever harmonisk i cellene til en annen organisme, finnes i mange livsformer, inkludert insekter og sopp. Forskere tror at mitokondrier - organellene som er ansvarlige for energiproduksjonen i cellene - oppsto da en bakterie fant tilflukt hos en stamfar til eukaryote celler. Kloroplaster dukket opp når en stamfar til planter absorberte en fotosyntetisk mikroorganisme.

Å bestemme faktorene som dannet og opprettholdt disse forbindelsene er vanskelig fordi de skjedde for så lenge siden. For å komme rundt dette problemet har et team ledet av mikrobiolog Julia Vorholt ved det sveitsiske føderale instituttet for teknologi i Zürich (ETH Zurich) utviklet endosymbiotiske forhold i laboratoriet de siste årene. Tilnærmingen deres bruker en 500-1000 nanometer bred nål for å punktere vertsceller og deretter introdusere bakterieceller én om gangen.

De første forsøkene mislyktes imidlertid ofte; en grunn til dette var at den potensielle symbioten delte seg for raskt og drepte verten 2. Teamet hadde større suksess da de gjenskapte en naturlig symbiose mellom noen stammer av soppplantepatogenet Rhizopus microsporus og bakterien Mycetohabitans rhizoxinica, som produserer et giftstoff som beskytter soppen mot predasjon.

Det var imidlertid utfordrende å introdusere bakterieceller i soppene fordi de har tykke cellevegger som opprettholder høyt indre trykk. Etter å ha gjennomboret veggen med nålen, brukte forskerne en sykkelpumpe - senere en kompressor - for å opprettholde nok trykk til å introdusere bakteriene.

Etter det første sjokket av "kirurgien" fortsatte soppene sine livssykluser, og produserte sporer, hvorav noen inneholdt bakterier. Når disse sporene spiret, var det også bakterier til stede i cellene til neste generasjon sopp. Dette viste at den nye endosymbiosen kunne overføres til avkommet – et avgjørende funn.

Spiresuksessen til de bakterieholdige sporene var imidlertid lav. I en blandet populasjon av sporer (noen med bakterier og noen uten), forsvant de som inneholdt bakterier etter to generasjoner. For å forbedre relasjonene brukte forskerne en fluorescerende cellesorterer for å velge sporer som inneholder bakterier - som hadde blitt merket med et glødende protein - og forplantet bare disse sporene i fremtidige reproduksjonsrunder. Etter ti generasjoner spiret sporene som inneholder bakterier nesten like effektivt som de uten bakterier.

Grunnlaget for denne justeringen er ikke klart. Genomsekvensering identifiserte noen mutasjoner assosiert med forbedret spiringsuksess i soppen - en stamme av R. microsporus som ikke er kjent for å bære endosymbionts - og fant ingen endringer i bakteriene.

Linjen som spiret mest effektivt så ut til å begrense antallet bakterier i hver spore, sier Gabriel Giger, medforfatter av studien og mikrobiolog ved ETH Zürich. "Det er måter disse to partnerne kan leve sammen bedre og lettere på. Det er noe som er veldig viktig for oss å forstå."

Forskere vet ennå ikke mye om immunsystemet til sopp. Men Thomas Richards, en evolusjonsbiolog ved University of Oxford, Storbritannia, lurer på om et soppimmunsystem forhindrer symbiose - og om mutasjoner i dette systemet kan lette relasjonene. "Jeg er en stor fan av dette arbeidet," legger han til.

Eva Nowack, mikrobiolog ved Heinrich Heine-universitetet i Düsseldorf, Tyskland, ble overrasket over hvor raskt tilpasninger til symbiotisk liv så ut til å dukke opp. I fremtiden vil hun gjerne se hva som skjer etter enda lengre perioder; for eksempel etter mer enn 1000 generasjoner.

Utviklingen av slike symbioser vil kunne føre til at det skapes nye organismer med nyttige egenskaper, som for eksempel evnen til å konsumere karbondioksid eller atmosfærisk nitrogen, sier Vorholt. "Det er ideen: å skape nye egenskaper som en organisme ikke har, og som ellers ville være vanskelig å implementere."

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

   Artikkel  
   
   Google Scholar  

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

   Artikkel  
   
   Google Scholar  

Last ned referanser