Bakterier i svampar ger ledtrådar till ursprunget till komplext liv

Bakterier i svampar ger ledtrådar till ursprunget till komplext liv

Forskare som använder en liten ihålig nål och en cykelpump har lyckats implantera bakterier i en större cell. Detta skapar en relation som liknar de som drev utvecklingen av komplext liv.

Denna prestation, publicerad 2 oktober i tidskriften Nature 1, kunde hjälpa forskare att förstå ursprunget till partnerskap som ledde till uppkomsten av specialiserade organeller som mitokondrier och kloroplaster för mer än en miljard år sedan.

Endosymbiotiska relationer, där en mikrobakteriell partner lever harmoniskt i en annan organisms celler, finns i många livsformer, inklusive insekter och svampar. Forskare tror att mitokondrier - organellerna som ansvarar för energiproduktionen i celler - uppstod när en bakterie fann en tillflyktsort hos en förfader till eukaryota celler. Kloroplaster uppstod när en förfader till växter absorberade en fotosyntetisk mikroorganism.

Att bestämma de faktorer som bildade och bibehöll dessa kopplingar är svårt eftersom de inträffade för så länge sedan. För att komma runt detta problem har ett team under ledning av mikrobiolog Julia Vorholt vid det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich (ETH Zürich) utvecklat endosymbiotiska relationer i laboratoriet de senaste åren. Deras tillvägagångssätt använder en 500-1000 nanometer bred nål för att punktera värdceller och sedan introducera bakterieceller en i taget.

De första försöken misslyckades dock ofta; en anledning till detta var att den potentiella symbioten delade sig för snabbt och dödade sin värd 2. Teamet hade större framgång när de återskapade en naturlig symbios mellan några stammar av svampväxtpatogenen Rhizopus microsporus och bakterien Mycetohabitans rhizoxinica, som producerar ett toxin som skyddar svampen från predation.

Men att introducera bakterieceller i svamparna var utmanande eftersom de har tjocka cellväggar som upprätthåller högt inre tryck. Efter att ha genomborrat väggen med nålen använde forskarna en cykelpump - senare en kompressor - för att upprätthålla tillräckligt tryck för att introducera bakterierna.

Efter den första chocken av "operationen" fortsatte svamparna sina livscykler och producerade sporer, av vilka några innehöll bakterier. När dessa sporer grodde fanns bakterier också i cellerna hos nästa generation av svampar. Detta visade att den nya endosymbiosen kunde överföras till avkomman - ett avgörande fynd.

Emellertid var groningsframgången för de bakterieinnehållande sporerna låg. I en blandad population av sporer (vissa med bakterier och några utan), försvann de som innehöll bakterier efter två generationer. För att förbättra relationerna använde forskarna en fluorescerande cellsorterare för att välja sporer innehållande bakterier - som hade märkts med ett glödande protein - och förökade endast dessa sporer i framtida reproduktionsomgångar. Efter tio generationer grodde de sporer som innehöll bakterier nästan lika effektivt som de utan bakterier.

Grunden för denna justering är inte klar. Genomsekvensering identifierade några mutationer associerade med förbättrad groningsframgång i svampen - en stam av R. microsporus som inte är känd för att bära endosymbionts - och fann inga förändringar i bakterierna.

Linjen som grodde mest effektivt verkade begränsa antalet bakterier i varje spor, säger Gabriel Giger, medförfattare till studien och mikrobiolog vid ETH Zürich. "Det finns sätt på vilka dessa två partner kan leva tillsammans bättre och lättare. Det är något som är väldigt viktigt för oss att förstå."

Forskare vet ännu inte mycket om svamparnas immunförsvar. Men Thomas Richards, en evolutionär biolog vid University of Oxford, Storbritannien, undrar om ett svampimmunsystem förhindrar symbios - och om mutationer i detta system skulle kunna underlätta relationerna. "Jag är ett stort fan av det här arbetet", tillägger han.

Eva Nowack, mikrobiolog vid Heinrich Heine-universitetet i Düsseldorf, Tyskland, var förvånad över hur snabbt anpassningar till symbiotiskt liv verkade komma. I framtiden vill hon gärna se vad som händer efter ännu längre tidsperioder; till exempel efter mer än 1 000 generationer.

Utvecklingen av sådana symbioser skulle kunna leda till skapandet av nya organismer med användbara egenskaper, som förmågan att konsumera koldioxid eller atmosfäriskt kväve, säger Vorholt. "Det är tanken: att skapa nya egenskaper som en organism inte har och som annars skulle vara svåra att implementera."

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

   Artikel  
   
   Google Scholar  

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

   Artikel  
   
   Google Scholar  

Ladda ner referenser