Na granicy życia komórkowego funkcjonują maleńkie bakterie
Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie oraz Muzeum i Instytutu Zoologii PAN odkryli bakterie o najmniejszych znanych genomach spośród wszystkich bakterii niebędących organellami komórkowymi.
Ich materiał genetyczny zawiera zaledwie około 60 rozpoznawalnych genów – to nieco ponad 1 procent liczby genów typowej, wolno żyjącej bakterii i nawet mniej niż w wielu chloroplastach. To odkrycie wyznacza nową granicę minimalnych wymagań potrzebnych do funkcjonowania komórki.
Wielkość genomu decyduje o tym, jak bardzo organizm jest samodzielny. Większość bakterii posiada tysiące genów, które pozwalają im przetrwać w zmiennym środowisku. Inaczej jest w przypadku bakterii żyjących w ścisłej symbiozie z owadami. Przez miliony lat ewolucji stopniowo traciły one własne geny, ponieważ część funkcji przejął ich gospodarz. W efekcie stały się całkowicie od niego zależne.
Badania skupiły się na symbiontach piewików fulgorokształtnych – owadów odżywiających się sokiem roślinnym, który jest ubogi w niezbędne składniki. To właśnie bakterie dostarczają im brakujących aminokwasów, umożliwiając przeżycie. Analiza genomów dwóch takich symbiontów – Candidatus Sulcia muelleri i Candidatus Vidania fulgoroidea z kilkudziesięciu gatunków wykazała, że w niektórych liniach ewolucyjnych doszło do ekstremalnej redukcji DNA. W najbardziej skrajnych przypadkach genom bakterii Vidania liczy jedynie 50–52 tysiące par zasad i nieco ponad 60 genów. Tak uproszczone bakterie zachowały tylko absolutne minimum funkcji komórkowych i potrafią wytwarzać zaledwie jeden aminokwas – fenyloalaninę, kluczową dla budowy oskórka owadów.
Co szczególnie istotne, tak silna redukcja genomu pojawiła się niezależnie w różnych liniach gospodarzy. Oznacza to, że ewolucja wielokrotnie „dochodziła” do podobnego, minimalnego rozwiązania. Badacze zaobserwowali też dalsze, bardzo zaawansowane zmiany, takie jak fragmentacja genomu na mniejsze cząsteczki DNA czy podział funkcji jednego symbionta między kilka współpracujących linii bakteryjnych. Pokazuje to, że nawet po setkach milionów lat wspólnej ewolucji proces uproszczeń może nadal postępować.
Ile jest potrzebnych genów do życia komórkowego?
Znaczenie tych badań jest szerokie. Po pierwsze, pomagają one odpowiedzieć na fundamentalne pytanie: jakie jest absolutne minimum genów potrzebnych do życia komórkowego? Odkryte bakterie znajdują się na granicy samodzielności i pod pewnymi względami przypominają mitochondria czy chloroplasty, które także wywodzą się z dawnych bakterii. Wiedza ta ma znaczenie dla badań nad początkami życia na Ziemi oraz nad możliwością jego istnienia w prostszych formach – także poza naszą planetą. Po drugie, wyniki mają praktyczne zastosowanie w biotechnologii i biologii syntetycznej. Od lat trwają próby tworzenia komórek o minimalnych genomach, które mogłyby być wykorzystywane w medycynie, rolnictwie czy przemyśle. Naturalne, ewolucyjnie „przetestowane” systemy opisane przez badaczy stanowią cenny model takich minimalnych komórek i mogą inspirować projektowanie nowych rozwiązań.
Badania pokazują również coś ważnego o samej ewolucji: nie zawsze prowadzi ona do większej złożoności. Czasem kluczem do przetrwania jest ścisła współpraca i specjalizacja. Zrozumienie takich zależności ma znaczenie nie tylko dla nauki, lecz także dla ochrony bioróżnorodności, ponieważ nawet najmniejsze organizmy mogą odgrywać kluczową rolę w funkcjonowaniu całych ekosystemów.
Źródło: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie
Czytaj też: Bociany w podróży. Od technologii śledzenia do ochrony ptasich szlaków
Grafika tytułowa: CDC / Unsplash
