Atrasta „nežinoma“ nauja simbiozės forma

Naudodamas energiją teikiantį bakterinį endosymbiontą, vienaląsčio eukarioto šeimininkas gali įkvėpti nitrato, o tai rodo, kad vienaląsčiai eukariotų endosymbiontai gali įgyti ar papildyti savo mitochondrijų organelių funkcijas.

Mokslininkai iš Brėmeno kartu su kolegomis iš Kelno Maxo Plancko genomo centro ir vandens tyrimų instituto „Eawag“ iš Šveicarijos atrado unikalią bakteriją, kuri gyvena vienaląsčiame eukariote ir teikia energiją. Skirtingai nuo mitochondrijų, šis vadinamasis endosimbiontas energiją semiasi iš deguonies, o ne iš nitrato. “Tokia partnerystė yra visiškai nauja”, – sakė Jana Milucka, vyresnė Gamta popieriaus. Simbiozė, pagrįsta kvėpavimu ir energijos perdavimu, iki šiol neregėta. “

Apskritai simbiozė yra gana paplitusi tarp eukariotų. Eukariotų šeimininkai dažnai egzistuoja kartu su kitais organizmais, pavyzdžiui, bakterijomis. Kai kurios bakterijos gyvena ląstelėse-šeimininkėse ir atlieka tam tikras paslaugas, pavyzdžiui, gynybą ar mitybą. Mainais šeimininkas suteikia prieglobstį ir tinkamas gyvenimo sąlygas simbiontui. Endosimbiozė gali siekti net tiek, kad bakterija praranda savo sugebėjimą išgyventi atskirai už savo šeimininko ribų.

Taip buvo ir su simbioze, kurią Brėmeno mokslininkai atrado Zugo ežere Šveicarijoje. „Mūsų išvada atveria galimybę, kad paprastuose vienaląsčiuose eukariotuose, tokiuose kaip protistai, gali būti energiją tiekiantys endosimbonai, papildantys ar net pakeičiantys jų mitochondrijų funkcijas“, – sakė pirmasis tyrimo autorius Jonas Grafas. “Šis protis sugebėjo išgyventi be deguonies, dirbdamas su endosimbiontu, galinčiu kvėpuoti nitratais.” Tai atspindi endosymbionto pavadinimas „Candidatus Azoamicus ciliaticola“; „azoto draugas“, gyvenantis silikate.

Candidatus Azoamicus ciliaticola

Paveikslas yra nuskaitymo elektroninio mikroskopo vaizdo (SEM, pilka) ir fluorescencinių vaizdų derinys. Matomi yra „Candidatus Azoamicus ciliaticola“ endosymbiontas (vizualizuotas FISH, geltonas) ir bakterijų grobis maisto vakuolėse, taip pat didelių ląstelių branduolys (nudažytas DAPI, mėlynas). Taip pat matoma silpnai fluorescuojančio silikato, taip pat blakstienų, išorinė struktūra. Autorius: Maxo Plancko jūrų mikrobiologijos institutas, S. Ahmerkampas

Intymi partnerystė artėja

Kol kas daroma prielaida, kad eukariotai aplinkoje be deguonies išgyvena fermentacijos metu, nes mitochondrijoms reikalingas deguonis energijai generuoti. Fermentacijos procesas yra gerai dokumentuotas ir pastebėtas daugelyje anaerobinių silikatų. Tačiau mikroorganizmai negali pasisemti tiek energijos iš fermentacijos, ir jie paprastai neauga taip greitai, kaip jų aerobiniai analogai.

„Mūsų ciliaras rado tai sprendimą“, – sako Grafas. „Jis pasisavino bakteriją, galinčią įkvėpti nitrato ir integruoti jį į savo ląstelę. Manome, kad asimiliacija įvyko mažiausiai prieš 200–300 milijonų metų. Nuo to laiko evoliucija dar labiau pagilino šią artimą partnerystę.

Laiko perkelta evoliucija

Mitochondrijų raida vyko panašiai. “Visos mitochondrijos turi bendrą kilmę”, – aiškina Jana Milucka. Manoma, kad šie du, daugiau nei prieš milijardą metų, įsisavino bakteriją, pradėjo labai svarbią simbiozę: šis įvykis rodo eukariotinės ląstelės kilmę. Laikui bėgant, bakterija vis labiau integruojasi į ląstelę, palaipsniui mažindama savo genomą. Nebereikalingos savybės buvo prarastos ir liko tik tos, kurios davė naudos šeimininkui. Mitochondrijos, kaip mes jas šiandien žinome, turi savo mažą genomą, taip pat ląstelių membraną ir egzistuoja kaip vadinamieji organellai eukariotuose, pavyzdžiui, žmogaus organizme jie yra beveik kiekvienoje ląstelėje ir suteikia jiems – taigi ir mums – energijos.

„Mūsų endosimbiontas gali atlikti daugybę mitochondrijų funkcijų, nors ji neturi bendros evoliucinės kilmės su mitochondrijomis“, – sako Milucka. “Gundytina spėlioti, kad simbiontas gali eiti tuo pačiu keliu, kaip ir mitochondrijos, ir galiausiai tapti organele”.

Atsitiktinis susitikimas

Iš tikrųjų stebina tai, kad ši simbiozė taip ilgai liko nežinoma. Mitochondrijos taip gerai veikia su deguonimi – kodėl nitratams nėra atitikmens? Vienas iš galimų atsakymų yra tas, kad niekas nežinojo apie šią galimybę ir todėl niekas jos neieškojo. Endosimbiozės tyrimas yra sudėtingas, nes daugumos simbiotinių mikroorganizmų negalima auginti laboratorijoje. Tačiau naujausi metagenominės analizės laimėjimai leido mums geriau suprasti sudėtingą šeimininkų ir simbiontų sąveiką. Analizuodami metagenomą, mokslininkai žiūri į visus mėginio genus. Šis metodas dažnai naudojamas aplinkos mėginiams, nes mėginyje esantys genai negali būti automatiškai priskirti esamiems organizmams. Tai reiškia, kad mokslininkai dažniausiai ieško specifinių žanrų, kurie yra susiję su jų tyrimo klausimu. Metagenomose dažnai yra milijonai skirtingų genų sekų ir yra normalu, kad tik nedidelė jų dalis yra išsamiai analizuojama.

Iš pradžių Brėmeno mokslininkai taip pat ieškojo kažko kito. Mokslo Planko jūrų mikrobiologijos instituto tyrimo grupės šiltnamio efektą sukeliančios dujos tiria mikroorganizmus, susijusius su metano apykaita. Tam jie tyrinėjo giliuosius Zugmeer vandens sluoksnius. Ežeras yra labai stratifikuotas, o tai reiškia, kad nėra vertikalaus vandens mainų. Todėl gilieji Zugmeer vandens sluoksniai neturi kontakto su paviršiniu vandeniu ir yra daugiausia izoliuoti. Todėl jame nėra deguonies, tačiau jame yra daug metano ir azoto junginių, tokių kaip nitratai. Kol Grafas ieškojo metano tinklelio bakterijų su azoto konversijos genais, jis sukūrė neįtikėtinai mažą genų seką, koduojančią visą nitratų kvėpavimo metabolizmo kelią. „Visi nustebome dėl šios išvados, ir aš pradėjau palyginimą DNR su panašiomis genų sekomis duomenų bazėje “, – sako Grafas. Tačiau vienintelė panaši DNR priklauso simbiontams, gyvenantiems amaruose ir kituose vabzdžiuose. „Tai nebuvo prasmės. Kaip vabzdžiai atsidurtų šiuose giliuose vandenyse? Ir kodėl? “- prisimena Grafas. Tyrėjų grupės mokslininkai pradėjo spėlioti žaidimus ir lažybas.

Nebe tik tamsoje

Galų gale nugalėjo viena mintis: genomas turi priklausyti dar nežinomam endosimbiontui. Norėdami patikrinti šią teoriją, tyrimo grupės nariai atliko keletą ekspedicijų prie Zugo ežero Šveicarijoje. Padedami vietos bendradarbiavimo partnerio Eawago, jie surinko mėginius, kad galėtų konkrečiai ieškoti organizmo, kuriame yra šis unikalus endosimbiontas. Laboratorijoje mokslininkai pipete užfiksavo skirtingus eukariotus iš vandens mėginių. Galiausiai, naudojant genų žymeklį, pavyko vizualizuoti endosimbiontą ir nustatyti jo protis šeimininką.

Paskutinė išvyka prieš metus turėjo suteikti galutinį tikrumą. Tai buvo sunkus užsiėmimas viduryje žiemos. Audringas oras, tankus rūkas ir laiko slėgis dėl pirmųjų žinių apie koronavirusą, taip pat galimas lokautas dar labiau apsunkino paieškas dideliame ežere. Nepaisant to, mokslininkams pavyko išgauti kelis mėginius iš giluminio vandens ir nugabenti į Brėmeną. Šie pavyzdžiai galutinai patvirtino savo teoriją. „Malonu žinoti, kad jie kartu ten apačioje“, – sako Jana Milucka. „Paprastai šios blakstienos valgo bakterijas. Bet šis kažkam padarė gyvą ir su juo dirbo. “

Daug naujų klausimų

Ši išvada kelia daug įdomių naujų klausimų. Ar yra panašios simbiozės, kuri egzistuoja ilgą laiką ir kur endosymbiontas peržengė visas ribas iki organelės? Jei tokia simbiozė egzistuoja kvėpuojant nitratais, ar ji egzistuoja ir kitiems junginiams? Kaip ši simbiozė, gyvavusi 200–300 milijonų metų, atsidūrė po ledynmetiniame Alpių ežere, kuris susiformavo tik prieš 10 000 metų? Be to: „Dabar, kai žinome, ko ieškome, radome endosymbionto genų sekas visame pasaulyje“, – sako Milucka. Prancūzijoje, taip pat Taivane arba Rytų Afrikos ežeruose, kurie iš dalies yra daug senesni nei Zugmeer. Ar šios simbiozės kilmė slypi viename iš jų? O gal tai prasidėjo jūroje? Tai yra klausimai, kuriuos vėliau nori ištirti tyrimo grupė.

Nuoroda: „Anaerobinis endosimbiontas generuoja energiją ciliariniam šeimininkui denitrifikacijos būdu“, Jon K Graf, Sina Schorn, Katharina Kitzinger, Soeren Ahmerkamp, ​​Christian Woehle, Bruno Huettel, Carsten J. Schubert, Marcel MM Kuypers ir Jana Milucka, kovo 3 d. 2021 m., Gamta.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03297-6

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Išradingi vandenyno mikrobai puikiai renka maistą, kai jo trūksta

Coscinodiscus wailesii diatoma su pritvirtinta Pseudovorticella coscinodisci ciliarine epibionte. Brūkšninės linijos gaunamos iš srautų, kuriuos generuoja silikatiniai epibionai. Šaltinio vaizdo įrašas buvo...

Netikėti pterozaurai lengvai galėjo skristi

Nuotraukoje pavaizduota Pterodaustro guinazui banda. Autorius: dr. Markas Wittonas Naujai suformuoti pterozaurai galėjo skristi, tačiau jų skraidymo įgūdžiai galėjo skirtis nuo suaugusiųjų pterozaurų. Pterozaurai -...

Žindymas – net kelias dienas – susijęs su mažesniu vaikystės kraujospūdžiu

Net keletą dienų žindomų kūdikių kraujospūdis 3 metų amžiaus yra žemesnis nei vaikų, kurie niekada nemaitino krūtimi. Žindomų naujagimių kraujospūdis yra žemas, neatsižvelgiant į jų...

Dirbtinio intelekto naudojimas norint rasti senėjimo cheminius junginius

Iki Surėjaus universitetas 2021 m. Liepos 24 d Surrey universitetas sukūrė dirbtinio intelekto (AI) modelį, kuris identifikuoja sveiką senėjimą skatinančius cheminius junginius, atverdamas kelią farmacijos naujovėms,...

NASA apdovanojo „SpaceX“ sutartį su „Europa Clipper“ misijos įkūrimu

Jis yra NASA 2021 m. Liepos 24 d Šis vaizdas, patikslintas 2020 m. Gruodžio mėn., Rodo NASA erdvėlaivį „Europa Clipper“. Vidaus vandenynams padvigubėjus žemės vandenynų...

Newsletter

Subscribe to stay updated.