Nová forma „bezprecedentní“ symbiózy

Bakteriální endosymbiotická energie umožňuje jeho jednobuněčnému eukaryotickému hostiteli dýchat dusičnany, což naznačuje, že jednobuněční eukaryoti mohou získávat endosymbioty k doplnění nebo nahrazení funkcí svých mitochondriálních organel.

Vědci z Bermanu spolu s kolegy z Max Planck Genome Center v Kolíně nad Rýnem a Eawag Marine Research Institute ze Švýcarska objevili jedinečnou bakterii, která žije uvnitř jednobuněčného eukaryotu a dodává mu energii. Na rozdíl od mitochondrií čerpá takzvaný endosymbionát energii spíše z dýchání dusičnanů než z kyslíku. „Takové partnerství je zcela nové,“ říká Jana Miluchka, vedoucí autorka tohoto tématu Příroda Noviny. „Symbióza založená na dýchání a přenosu energie je dosud bezprecedentní.“

Obecně je u eukaryot zcela běžná symbióza. Eukaryotičtí hostitelé často koexistují s jinými organismy, jako jsou bakterie. Některé bakterie žijí uvnitř hostitelských buněk nebo tkání a provádějí určité služby, jako je ochrana nebo výživa. Na oplátku hostitel poskytuje úkryt a životní podmínky odpovídající symbiontu. Endosymbióza může dokonce dosáhnout bodu, kdy bakterie ztratí schopnost přežít sama mimo svého hostitele.

To byl také případ symbiózy, kterou objevili bermanští vědci u Zugského jezera ve Švýcarsku. „Naše zjištění otevírají možnost, že jednoduché jednobuněčné eukaryoty, stejně jako protisté, mohou hostit endosymbiotika, která dodávají energii k doplnění nebo dokonce nahrazení jejich mitochondriálních funkcí,“ říká John Graf, první autor studie. „Tomuto protistovi se podařilo přežít bez kyslíku připojením k endosymbionátu schopnému dýchat dusičnany.“ Odráží to název endosymbiotika „Candidatus Azoamicus ciliaticola“; „Dusíkatý přítel“ pobývající v Celii.

Kandidát Azoamicus ciliaticola

Obrázek se skládá z obrazu rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM, šedá) a fluorescenčních snímků. Viditelný je endosymbiont „Candidatus Azoamicus ciliaticola“ (vizualizovaný FISH, žlutý) a bakteriální kořist v potravinových vakuolách, stejně jako velké buněčné jádro (obarvené DAPI, modře). Je také vidět vnější struktura slabého fluorescenčního křemičitanu, stejně jako celiatici. Uznání: Max Planck Institute for Marine Microbiology, S. Ahmerkamp

Intimní partnerství se blíží

K dnešnímu dni se předpokládá, že eukaryota v prostředí bez kyslíku přežívají fermentací, protože mitochondrie k výrobě energie vyžadují kyslík. Proces fermentace je dobře zdokumentován a pozorován u mnoha anaerobních celitů. Mikroorganismy však nemohou pumpovat velké množství fermentovatelné energie a obvykle nerostou a nedělí se tak rychle jako jejich aerobní protějšky.

„Naše silueta našla řešení,“ říká Graph. „Polkl bakterii se schopností dýchat dusičnany a začlenil ji do své buňky. Odhadujeme, že k asimilaci došlo nejméně před 200 až 300 miliony let.“ Od té doby evoluce toto důvěrné partnerství dále prohloubila.

Časosběrný vývoj

Podobně byl proveden vývoj mitochondrií. „Všechny mitochondrie mají společný zdroj,“ vysvětluje Jana Miloka. Předpokládá se, že před více než miliardou let, když rodový archiv spolkl bakterii, tyto dva začaly velmi důležitou symbiózou: tato událost označila původ eukaryotické buňky. V průběhu času se bakterie stále více integrovala do buňky a postupně redukovala svůj genom. Vlastnosti, které již nejsou potřeba, byly ztraceny a byly zachovány pouze ty, které prospěly hostiteli. Nakonec se mitochondrie vyvinuly, jak je známe dnes. Mají svůj vlastní malý genom i buněčné membrány a údajně existují v organelách u eukaryot. Například v lidském těle se nacházejí téměř v každé buňce a dodávají jim – a tedy i nám – energii.

„Náš endosymbionát je schopen vykonávat mnoho mitochondriálních funkcí, i když nesdílí společný evoluční zdroj pro mitochondrie,“ říká Miloka. „Je lákavé spekulovat, že symbiont může jít stejnou cestou jako mitochondrie a nakonec se z něj stane organela.“

Náhodné setkání

Je opravdu úžasné, že tato symbióza zůstala tak dlouho neznámá. Mitochondrie fungují tak dobře s kyslíkem – proč ne ekvivalent dusičnanu? Jednou z možných odpovědí je, že si nikdo této možnosti nebyl vědom, a proto ji nikdo nehledal. Studium endosymbiózy je náročné, protože většinu symbiotických mikroorganismů nelze pěstovat v laboratoři. Nedávné pokroky v metagenomických analýzách nám však umožnily lépe porozumět složité interakci mezi hostiteli a symbionty. Při analýze magnetu vědci zkoumají všechny geny ve vzorku. Tento přístup se často používá pro vzorky prostředí, protože geny ve vzorku nelze automaticky přiřadit existujícím organismům. To znamená, že vědci obvykle hledají specifické genové sekvence relevantní pro jejich výzkumnou otázku. Metagenomy často obsahují miliony různých genových sekvencí a je zcela normální, že je podrobně analyzována pouze malá část z nich.

Původně hledali bermanští vědci také něco jiného. Skupina pro výzkum skleníkových plynů v Institutu Maxe Plancka pro mořskou mikrobiologii zkoumá mikroorganismy podílející se na metabolismu metanu. Za tímto účelem zkoumali hluboké vodní vrstvy Zugského jezera. Jezero je velmi vrstvené, což znamená, že nedochází k vertikální výměně vody. Hluboké vodní vrstvy jezera Zug nemají žádný kontakt s povrchovou vodou a jsou z velké části izolovány. Proto neobsahují kyslík, ale jsou bohaté na metan a sloučeniny dusíku, jako je dusičnan. Při hledání bakterií metanu s geny přeměňujícími dusík Graf narazil na pozoruhodně malou sekvenci genů, která kódovala celou metabolickou cestu pro dýchání dusíku. “Toto zjištění nás všechny ohromilo a začal jsem porovnávat.” DNA S podobnými genovými sekvencemi v databázi, “říká Graf. Jediná podobná DNA však patřila DNA symbiontů žijících ve mšicích a jiném hmyzu. „Nedávalo to smysl. Jak by se hmyz dostal do té hluboké vody? A proč?“, Vzpomíná Graf. Vědci z výzkumné skupiny začali hádat hry a hazardní hry.

Ne sám v temném jezeře

Nakonec zvítězila jedna myšlenka: genom musí patřit dosud neznámému endosymbionátu. K ověření této teorie provedli členové výzkumného týmu několik expedic k švýcarskému jezeru Zug. S pomocí místního partnera Eawag shromáždili vzorky, aby konkrétně vyhledali organismus, který obsahuje tento jedinečný endosymbionát. V laboratoři vědci lovili pomocí pipety vzorky různých eukaryot ze vzorků vody. Nakonec lze pomocí genetického markeru vizualizovat endosymbiont a identifikovat jeho protistického hostitele.

Poslední cesta před rokem měla přinést konečnou jistotu. Uprostřed zimy to byl těžký úkol. Bouřlivé počasí, hustá mlha a časový tlak způsobené prvními zprávami o koronovém viru a také možným zamykáním ještě více ztěžovaly hledání ve Velkém jezeře. Vědci však dokázali extrahovat některé vzorky z hluboké vody a přivést je k barmanovi. Tyto příklady jim přinesly konečné potvrzení jejich teorie. „Je hezké vědět, že jsou tam dole,“ říká Jana Miloka. „Tyto řasinky obvykle jedí bakterie. Ale umožnilo to člověku žít a být v tom partnerem.“

Spousta nových otázek

Toto zjištění přináší mnoho nových a fascinujících otázek. Existuje podobná symbióza, která by existovala mnohem déle a kde endosymbiont již překročil hranici do organely? Pokud taková symbióza existuje pro dýchání dusičnany, existuje také pro jiné sloučeniny? Jak skončila tato symbióza, která existovala 200 až 300 milionů let, v ledovcovém jezeře v Alpách, které vzniklo jen před 10 000 lety? Navíc: „Nyní, když víme, co hledáme, jsme po celém světě našli genové sekvence endosymbiontu,“ říká Miloka. Ve Francii, stejně jako na Tchaj-wanu nebo v jezerech ve východní Africe, z nichž některá jsou mnohem starší než Zugské jezero. Je zdroj této symbiózy v jedné z nich? Nebo to začalo v oceánu? To jsou otázky, které chce výzkumná skupina prozkoumat později.

Reference: 3. března 2021, Příroda.
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

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Rakovina prostaty související s obezitou – skutečné rozdělení tělesného tuku se zdá být důležitým faktorem

Tým INRS zkoumá souvislost mezi tělesnou hmotností a rizikem rakoviny. Rakovina prostaty je nejčastější formou rakoviny u kanadských mužů a třetí nejčastější příčinou úmrtí na...

Newsletter

Subscribe to stay updated.