Bakterie w grzybach dostarczają wskazówek na temat pochodzenia złożonego życia

Bakterie w grzybach dostarczają wskazówek na temat pochodzenia złożonego życia

Naukowcom za pomocą małej wydrążonej igły i pompki rowerowej udało się wszczepić bakterie do większej komórki. Tworzy to relację podobną do tej, która napędzała ewolucję złożonego życia.

To osiągnięcie opublikowano 2 października w czasopiśmie Nature 1, może pomóc naukowcom zrozumieć początki partnerstw, które ponad miliard lat temu doprowadziły do ​​pojawienia się wyspecjalizowanych organelli, takich jak mitochondria i chloroplasty.

Relacje endosymbiotyczne, w których partner mikrobakteryjny żyje harmonijnie w komórkach innego organizmu, występują u wielu form życia, w tym u owadów i grzybów. Naukowcy uważają, że mitochondria – organelle odpowiedzialne za produkcję energii w komórkach – powstały, gdy bakteria znalazła schronienie w przodku komórek eukariotycznych. Chloroplasty pojawiły się, gdy przodek roślin wchłonął mikroorganizm fotosyntetyczny.

Określenie czynników, które utworzyły i utrzymały te połączenia, jest trudne, ponieważ miały one miejsce tak dawno temu. Aby obejść ten problem, zespół kierowany przez mikrobiolog Julię Vorholt ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu (ETH Zurich) opracował w ostatnich latach w laboratorium relacje endosymbiotyczne. Ich podejście wykorzystuje igłę o szerokości 500–1000 nanometrów do nakłucia komórek gospodarza, a następnie wprowadzenia komórek bakteryjnych pojedynczo.

Jednak pierwsze próby często kończyły się niepowodzeniem; jednym z powodów było to, że potencjalny symbiont podzielił się zbyt szybko i zabił swojego żywiciela 2. Zespół odniósł większy sukces, odtwarzając naturalną symbiozę między niektórymi szczepami grzybowego patogenu roślin Rhizopus microsporus i bakterią Mycetohabitans rhizoxinica, która wytwarza toksynę chroniącą grzyba przed drapieżnikami.

Jednakże wprowadzenie komórek bakteryjnych do grzybów było wyzwaniem, ponieważ mają one grube ściany komórkowe, które utrzymują wysokie ciśnienie wewnętrzne. Po przebiciu ściany igłą badacze użyli pompki rowerowej, a później kompresora, aby utrzymać ciśnienie wystarczające do wprowadzenia bakterii.

Po początkowym szoku wywołanym „operacją” grzyby kontynuowały swój cykl życiowy, wytwarzając zarodniki, z których część zawierała bakterie. Kiedy te zarodniki wykiełkowały, bakterie były również obecne w komórkach następnej generacji grzybów. Wykazało to, że nową endosymbiozę można przenieść na potomstwo, co było kluczowym odkryciem.

Jednakże skuteczność kiełkowania zarodników zawierających bakterie była niska. W mieszanej populacji zarodników (niektóre z bakteriami, inne bez) zarodniki zawierające bakterie zniknęły po dwóch pokoleniach. Aby poprawić relacje, naukowcy wykorzystali fluorescencyjny sortownik komórek do wyselekcjonowania zarodników zawierających bakterie – które zostały oznaczone świecącym białkiem – i rozmnażali tylko te zarodniki w przyszłych rundach reprodukcji. Po dziesięciu pokoleniach zarodniki zawierające bakterie kiełkowały niemal tak skutecznie, jak te bez bakterii.

Podstawa tej korekty nie jest jasna. Sekwencjonowanie genomu pozwoliło zidentyfikować pewne mutacje związane z lepszym sukcesem kiełkowania grzyba – szczepu R. microsporus, o którym wiadomo, że nie przenosi endosymbiontów – i nie wykazało żadnych zmian w bakteriach.

Linia, która kiełkowała najskuteczniej, wydawała się ograniczać liczbę bakterii w każdym zarodniku, mówi Gabriel Giger, współautor badania i mikrobiolog z ETH Zurich. „Istnieją sposoby, dzięki którym ci dwaj partnerzy mogą żyć razem lepiej i łatwiej. Zrozumienie tego jest dla nas bardzo ważne”.

Naukowcy nie wiedzą jeszcze zbyt wiele o układzie odpornościowym grzybów. Jednak Thomas Richards, biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, zastanawia się, czy układ odpornościowy grzybów zapobiega symbiozie i czy mutacje w tym układzie mogą ułatwić te relacje. „Jestem wielkim fanem tej pracy” – dodaje.

Eva Nowack, mikrobiolog z Uniwersytetu Heinricha Heinego w Düsseldorfie w Niemczech, była zaskoczona, jak szybko pojawiały się adaptacje do życia symbiotycznego. W przyszłości chciałaby zobaczyć, co stanie się po jeszcze dłuższych okresach czasu; na przykład po ponad 1000 pokoleniach.

Rozwój takich symbioz mógłby doprowadzić do powstania nowych organizmów o przydatnych właściwościach, takich jak zdolność do pochłaniania dwutlenku węgla czy azotu atmosferycznego, mówi Vorholt. „Oto pomysł: stworzyć nowe właściwości, których organizm nie posiada, a które w innym przypadku byłyby trudne do wdrożenia.”

1. Giger, G.H. i in. Natura https://doi.org/10.1038/s41586-024-08010-x (2024).

   Artykuł  
   
   Scholar Google  

2. Gäbelein, C. G., Reiter, MA, Ernst, C., Giger, GH & Vorholt, JA ACS Synth. Biol. 11, 3388–3396 (2022).

   Artykuł  
   
   Scholar Google  

Pobierz referencje