Около 100 миллионов лет назад скромная амеба провернула потрясающее ограбление, захватив гены ничего не подозревающей бактерии, чтобы заменить те, которые она потеряла.
Теперь Рутгерс и другие ученые разгадали тайну того, как маленькая амеба Паулинелла совершила кражу. Он поглотил бактерию, сохранил жизнь этой клетке и использовал ее гены для фотосинтеза, который используют технологические растения и водоросли для преобразования углекислого газа в кислород и сахар с помощью солнечной энергии.
«Основной вывод исследования заключается в том, что микробный мир, который, как мы знаем, полон ценных генов, может перемещать эти гены между организмами в соответствии с потребностями», - сказал Дебашиш Бхаттачарья, соавтор исследования и выдающийся профессор в Департамент экологии, эволюции и природных ресурсов Рутгерского университета. «Когда у микроба есть дефицит гена, он может в некоторых случаях восполнить этот дефицит, захватив тот же ген из окружающей среды. Это показывает, насколько изменчивы микробные геномы на самом деле».
«Но люди не должны думать, что люди будут захватывать бактериальные гены в ближайшее время, потому что у них есть секвестрированная (защищенная) зародышевая линия», - сказала Дана С. Прайс, соавтор исследования и научный сотрудник. профессор кафедры биологии и патологии растений Школы экологических и биологических наук. «Речь идет о микробной жизни, такой как бактерии и одноклеточные эукариоты».
Международное исследование американских и немецких ученых было опубликовано онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Земля зеленая, потому что фотосинтезирующие растения и водоросли содержат хлорофилл, зеленый пигмент, отражающий зеленые длины волн света. Их способность к фотосинтезу возникла в результате гораздо более древней кражи, совершенной около 1,5 миллиарда лет назад. Тогда предок водорослей поглотил фотосинтетическую бактерию, превратив ее в хлоропласт, пластиду с хлорофиллом. Пластиды - это органеллы, которые, как и органы человеческого тела, представляют собой структуры, содержащие ДНК и выполняющие определенные функции, в данном случае фотосинтез.
Процесс поглощения известен как первичный эндосимбиоз, и он изменил жизнь на Земле, позволив появиться животным, которые зависят от жизни растений.
Теория эндосимбиоза имеет интересную научную историю. В 1895 году немецкий естествоиспытатель Роберт Лаутерборн написал статью о паулинелле хроматофоре, открытой им амебе, и об обнаружении растительных клеток внутри амебы. У него есть две большие колбасообразные пластиды, называемые хроматофорами, которые облегчают фотосинтез. Лаутерборн предположил, что это может представлять собой симбиоз или сотрудничество двух клеток, и это открытие помогло развитию теории эндосимбиоза.
Однако в течение десятилетий после этого ученые не могли найти или культивировать клетки паулинеллы в окружающей среде. Но около 20 лет назад немецкий ученый Майкл Мелконян, с которым работал Бхаттачарья, смог получить изолят амебы и культивировать его в Кельне, Германия. Между тем, в последние годы наука о геномике улучшилась, что позволило исследователям разгадать тайны Паулинеллы.
В новом исследовании ученые под руководством Евы Новак исследовали Паулинеллу, чтобы изучить правила эволюции генома, которые позволили фотосинтезу закрепиться и процветать. Законы могут быть раскрыты, поскольку эндосимбиоз Paulinella имел место 100 миллионов лет назад, используя тот же процесс, который развернулся около 1,5 миллиардов лет назад.
Используя эту уникальную модель, исследователи задали критический вопрос об эндосимбиозе, который преследовал ученых в течение многих лет. Давно известно, что клетки, содержащиеся внутри других клеток, больше не могут иметь общую ДНК с представителями своего вида и имеют тенденцию создавать множество мутаций в своем геноме, что приводит к их гибели.
Этот процесс распада называется храповым механизмом Мюллера. Так как же захваченный пластид избежал храповика после миллионов лет заточения? Анализ геномных данных Паулинеллы показал, что каждый раз, когда она теряла ген, амеба заменяла его другим геном с той же функцией, что и у бактерий.
«Эволюция может найти выход, в данном случае решая проблему сломанных генов, собирая новые гены из окружающей среды», - сказал Бхаттачарья. «Кто знает, через 100 миллионов лет потомки Паулинеллы могут стать доминирующими растениями на нашей планете».
В числе авторов исследования Новак из Научного института Карнеги в Стэнфорде, Калифорния, и Дюссельдорфского университета им. Генриха Гейне в Германии; Прайс и Бхаттачарья; Анна Зингер из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе; Майкл Мелконян из Кёльнского университета в Германии; и Артур Р. Гроссман из Научного института Карнеги.
«Это действительно замечательно, что статья, написанная в журнале 120 лет назад, фактически заложила основу для этого исследования», - сказал Бхаттачарья. «Очень редко виды, которые так трудно найти и культивировать, начинают играть важную роль в понимании фундаментальных процессов в клетках».