Американські науковці створили ендосимбіотичну систему із дріжджів, у клітини яких поселили ціанобактерії. Мікроорганізми співіснували у взаємозалежний спосіб, за якого фотосинтезувальні бактерії виділяли для господаря енергію, а останній, зі свого боку, забезпечував ендосимбіонтів метаболітами. Це допоможе краще зрозуміти, як еволюціонували хлоропласти, зазначається в журналі Nature Communications.
Науковець Ангад Мехта тримає колбу з гібридом дріжджів та ціанобактерій. Fred Zwicky
Для чого створювати химер?
У появі складного, багатоклітинного життя важлива роль належала виникненню еукаріотичних, ядерних клітин, набагато складніших у будові за прокаріотичні. Зокрема, розвитку у них складних, мембранних органел із власними ДНК — мітохондрій у тварин та хлоропластів у рослин, які забезпечують клітини достатньою кількістю енергії. Ендосимбіотична теорія припускає, що ці клітинні структури колись були окремими бактеріями (мітохондрії — альфа-протеобактеріями, а хлоропласти — ціанобактеріями), але поглинулися більшою клітиною, із якою почали жити та еволюціонувати в симбіозі.
Протягом десятків років науковці намагалися відтворити ендосимбіотичні системи, вживляючи фотосинтезувальні клітини або органели в клітини ссавців та риб. І хоча внесені структури й могли виживати в середовищі інших клітин, вони не забезпечували енергетичні потреби хазяїна, отже не відбивали повною мірою первинний ендосимбіоз еукаріот та прокаріот. Однак кілька років тому групі вчених із Дослідницького інституту Скріпса вдалося внести у дріжджі кишкову паличку, яка забезпечувала енергією грибну клітину, подібно до мітохондрій. Вчені вважають, що химеру можна використати для вивчення еволюції мітохондрій.
У новій роботі автори вже в складі науковців Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн зосередилися на еволюційній історії хлоропластів. Використовуючи генетичне втручання, вони створили ендосимбіотичну систему, де наділили функціями хлоропластів фотосинтетичні бактерії.
Як їм це вдалося?
Щоб сучасна клітина могла виконувати подібні на хлоропласти функції усередині іншої клітини, вона має бути максимально схожою на хлоропласти, але її все ще треба буде генетично модифікувати для кращого пристосування до нової функції. Проте для найближчих із нині живих родичів хлоропластів, ціанобактерій Gloeomargarita, немає розроблених генетичних інструментів. Тож вчені використали родичів Gloeomargarita, яких раніше вже модифікували — ціанобактерій Synechococcus elongatus. Щодо клітини-хазяїна, то якою вона була на початку еволюційної історії ендосимбіозу, відомо ще менше, ніж про походження органел. Найімовірніше, що хлоропласти розвивалися кілька разів у різноманітних клітинах. У цьому дослідженні як хазяїнів обрали вже знайомі в маніпуляціях пивні дріжджі (Saccharomyces cerevisiae).
Штам використаних дріжджів модифікований у такий спосіб, що клітини не здатні виробляти для себе достатньо молекул АТФ, які є носіями енергії. Натомість ціанобактерію S. elongatus генетично змінили, щоб вона могла виділяти АТФ назовні (тобто всередину клітини-хазяїна) при забезпеченні її достатніми метаболітами, що було завданням дріжджів.
Що зрештою вийшло?
Вченим вдалося створити химер із мутованих дріжджів та ціанобактерій, які відтворюють ендосимбітичні відносини, на що вказало дослідження ДНК колонії клітин. Це підтвердила і флуоресцентна мікроскопія, при якій усередині клітин дріжджів помітили характерне для ціанобактерій світіння, зумовлене флуоресценцією фікобілінів та хлорофілу. Утім, важливіше, що химери функціонували у бажаний спосіб, тобто взаємозалежно, як того й вимагає поняття ендосимбіозу: ціанобактерії надавали дріжджам АТФ, а натомість отримували від них метаболіт метіонін. Така взаємодія схожа метаболічну пов'язаність хлоропластів та їхніх еукаріотичних хазяїнів, відмічають автори.
Флуоресценція дріжджів (S. cerevisiae) та ціанобактерій (штами SynJEC). Jason E. Cournoyer et al. / Nature Communications, 2022
Також досліди показали, що ендосимбіотична система теж значною мірою покладається на фотосинтез, оскільки колонія, яку тримали в темноті, зростала гірше за ту, яка освітлювалася 12 годин на день. Водночас за оптимальних умов, зі стабільним циклом освітлення день/ніч химери протрималася щонайменше протягом 15-20 поколінь.
Зростання химер в темноті (синій) та в умовах циклу освітлення день/ніч (червоний). Jason E. Cournoyer et al. / Nature Communications, 2022
Звісно, що штучна форма життя, яку створили науковці, не є точним відтворенням еволюції хлоропластів. Але її можна використати в наступних експериментах для кращого розуміння явища. Зважаючи на її податливість до генетичного втручання, можна дослідити, які метаболічні зв'язки та особливості геному зіграли роль у виникненні досліджуваного ендосимбіозу.