Bakterije v glivah dajejo namige o izvoru kompleksnega življenja

Bakterije v glivah dajejo namige o izvoru kompleksnega življenja

Znanstveniki so s pomočjo majhne votle igle in kolesarske črpalke uspeli vsaditi bakterije v večjo celico. To ustvarja odnos, podoben tistim, ki so poganjali razvoj kompleksnega življenja.

Ta dosežek je bil objavljen 2. oktobra v reviji Nature 1, bi lahko raziskovalcem pomagal razumeti izvor partnerstev, ki so privedla do nastanka specializiranih organelov, kot so mitohondriji in kloroplasti pred več kot milijardo let.

Endosimbiotska razmerja, v katerih mikrobakterijski partner harmonično živi v celicah drugega organizma, najdemo v številnih oblikah življenja, vključno z žuželkami in glivami. Znanstveniki menijo, da so mitohondriji – organeli, odgovorni za proizvodnjo energije v celicah – nastali, ko je bakterija našla zatočišče pri predniku evkariontskih celic. Kloroplasti so se pojavili, ko je prednik rastlin absorbiral fotosintetični mikroorganizem.

Določanje dejavnikov, ki so oblikovali in vzdrževali te povezave, je težko, ker so se zgodile tako dolgo nazaj. Da bi rešili to težavo, je ekipa, ki jo vodi mikrobiologinja Julia Vorholt na švicarskem zveznem tehnološkem inštitutu v Zürichu (ETH Zurich), v zadnjih letih razvila endosimbiotske odnose v laboratoriju. Njihov pristop uporablja 500-1000 nanometrsko široko iglo za prebadanje gostiteljskih celic in nato uvajanje bakterijskih celic eno za drugo.

Vendar so prvi poskusi pogosto spodleteli; eden od razlogov za to je bil, da se je potencialni simbiot prehitro razdelil in ubil svojega gostitelja 2. Ekipa je imela več uspeha, ko je poustvarila naravno simbiozo med nekaterimi sevi glivičnega rastlinskega patogena Rhizopus microsporus in bakterijo Mycetohabitans rhizoxinica, ki proizvaja toksin, ki ščiti glivo pred plenjenjem.

Vendar je bilo uvajanje bakterijskih celic v glive izziv, ker imajo debele celične stene, ki vzdržujejo visok notranji pritisk. Potem ko so z iglo prebodli steno, so raziskovalci uporabili kolesarsko črpalko – kasneje kompresor – za vzdrževanje zadostnega pritiska za vnos bakterij.

Po začetnem šoku zaradi "operacije" so glive nadaljevale svoj življenjski cikel in proizvajale spore, od katerih so nekatere vsebovale bakterije. Ko so te spore vzklile, so bile bakterije prisotne tudi v celicah naslednje generacije gliv. To je pokazalo, da se nova endosimbioza lahko prenese na potomce - ključna ugotovitev.

Vendar pa je bil uspeh kalitve spor, ki vsebujejo bakterije, nizek. V mešani populaciji spor (nekatere z bakterijami in nekatere brez) so tiste, ki vsebujejo bakterije, izginile po dveh generacijah. Da bi izboljšali odnose, so raziskovalci uporabili fluorescentni sortirnik celic, da so izbrali spore, ki vsebujejo bakterije – ki so bile označene z žarečim proteinom – in v prihodnjih krogih razmnoževanja razmnoževali samo te spore. Po desetih generacijah so spore, ki vsebujejo bakterije, vzkalile skoraj tako učinkovito kot tiste brez bakterij.

Podlaga za to prilagoditev ni jasna. Sekvenciranje genoma je odkrilo nekatere mutacije, povezane z izboljšanim uspehom kalitve glive – seva R. microsporus, za katerega ni znano, da prenaša endosimbionte – in ni odkrilo nobenih sprememb v bakterijah.

Zdi se, da linija, ki je najbolj učinkovito vzklila, omejuje število bakterij v vsaki trosi, pravi Gabriel Giger, soavtor študije in mikrobiolog na ETH Zurich. "Obstajajo načini, na katere lahko ta dva partnerja bolje in lažje živita skupaj. To je nekaj, kar je zelo pomembno, da razumemo."

Raziskovalci še ne vedo veliko o imunskem sistemu gliv. Toda Thomas Richards, evolucijski biolog z univerze v Oxfordu v Združenem kraljestvu, se sprašuje, ali imunski sistem gliv preprečuje simbiozo – in ali bi mutacije v tem sistemu lahko olajšale odnose. "Sem velik oboževalec tega dela," dodaja.

Eva Nowack, mikrobiologinja z univerze Heinrich Heine Düsseldorf v Nemčiji, je bila presenečena, kako hitro so se pojavile prilagoditve na simbiotično življenje. V prihodnosti bi rada videla, kaj se bo zgodilo po še daljših časovnih obdobjih; na primer po več kot 1000 generacijah.

Razvoj takšnih simbioz bi lahko vodil do ustvarjanja novih organizmov z uporabnimi lastnostmi, kot je sposobnost porabe ogljikovega dioksida ali atmosferskega dušika, pravi Vorholt. "To je ideja: ustvariti nove lastnosti, ki jih organizem nima in bi jih sicer težko izvajati."

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

   člen  
   
   Google Učenjak  

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

   člen  
   
   Google Učenjak  

Prenesite reference