Группа исследователей из Американского музея естественной истории создала вычислительную модель, способную предсказать, обладают ли организмы способностью «поедать» другие клетки посредством процесса, известного как фагоцитоз. Модель может быть полезным инструментом для крупномасштабных исследований микробов и дает ценную информацию об эволюции сложной жизни на Земле, бросая вызов идеям, выдвинутым в недавних исследованиях. Модель и выводы исследователей представлены в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Ecology & Evolution.
«Фагоцитоз является основным механизмом усвоения питательных веществ многими одноклеточными организмами, и он жизненно важен для иммунной защиты ряда живых существ, включая человека», - сказал соавтор Юнсу Ким, помощник куратора в Отдел зоологии беспозвоночных Американского музея естественной истории. «Но менее известна идея о том, что фагоцитоз возник примерно от 2 до 3 миллиардов лет назад и сыграл роль в тех симбиотических ассоциациях, которые, вероятно, положили начало каскадной эволюции к более разнообразной и сложной жизни, которую мы наблюдаем сегодня на планете. Наше исследование дает некоторые подсказки. как впервые возник фагоцитоз».
Прокариоты, группа, в которую входят бактерии и археи, представляют собой микроскопические, в основном одноклеточные организмы с относительно простой внутренней структурой. Эукариоты, группа, в которую входят животные, растения, грибы и протисты (представляющие совокупность различных, не связанных родственных линий, таких как амебозои и зеленые водоросли), обычно имеют более крупные клетки, заполненные рядом внутренних компонентов, включая ядро, в котором находится ДНК. хранящиеся и производящие энергию органеллы, называемые митохондриями. Научная теория утверждает, что примерно от 2 до 3 миллиардов лет назад одна бактерия слилась с неродственным прокариотическим микробом, что привело к эволюции митохондрий - ключевой особенности эукариотических клеток. Это слияние произошло только один раз, и некоторые ученые предполагают, что в этом процессе участвовало клеточное «поглощение». Однако на сегодняшний день не известно прокариот, способных к фагоцитозу. Так при каких же обстоятельствах возникла эта черта?
Чтобы исследовать этот давний вопрос, исследовательская группа использовала генетические паттерны, общие для фагоцитирующих клеток, для построения вычислительной модели, которая использует машинное обучение для прогнозирования того, питается ли организм посредством фагоцитоза.
«Не существует единого набора генов, которые точно предсказывают фагоцитоз, потому что это очень сложный процесс, в котором может участвовать более 1000 генов, и эти гены могут сильно различаться от вида к виду», - сказал ведущий автор Джон. Бернс, научный сотрудник Института сравнительной геномики им. Саклера.«Но по мере того, как мы начали изучать геномы все большего и большего числа эукариот, появился генетический паттерн, и он существует во всем многообразии, хотя у каждого вида он немного отличается. Этот паттерн является ядром нашей модели, и мы можем использовать его для очень быстро и эффективно прогнозировать, какие клетки могут быть «пожирателями», а какие нет».
Поскольку многие эукариоты, такие как некоторые зеленые водоросли, могут быть «привередливыми» - питаться только при определенных условиях - может быть трудно определить, способны ли они к фагоцитозу, просто наблюдая за ними под микроскопом. Эта новая модель может помочь микробиологам провести быструю оценку, а также может оказаться полезной для использования в крупных проектах по секвенированию ДНК, в которых участвуют несколько неизвестных микробных видов, например, при исследовании образцов морской воды..
Исследователи применили модель к группе «эукариотоподобных» микробов, называемых асгардскими археями. В последние годы некоторые исследователи предположили, что микробы Асгарда могут быть живыми родственниками давно разыскиваемых микробов, которые слились с бактерией, ставшей митохондриями. Но новая работа исследователей показывает, что эти микробы, скорее всего, не используют фагоцитоз. Они также использовали набор генов, разработанный как часть процесса построения модели, чтобы более внимательно изучить древние линии архей и бактерий, и обнаружили, что в целом ни одна группа сама по себе не имеет генов, необходимых для фагоцитоза. В то время как новая работа исключает один сценарий рождения митрохондрий - что археи Асгарда поглотили бактерии - остается много других вариантов.
«Когда вы разделяете компоненты этих предсказательных генов, некоторые из них имеют корни в археях, некоторые - в бактериях, а некоторые уникальны только для эукариот», - сказал Ким. «Наши данные согласуются с гипотезой о том, что наши клетки представляют собой химеру архейных и бактериальных компонентов, и что процесс фагоцитоза возник только после того, как произошло это сочетание. Нам еще предстоит много работы в этой области».
Александрос Питтис, бывший научный сотрудник Института сравнительной геномики им. Саклера при Музее, также был автором этого исследования.