W swojej najnowszej publikacji biolodzy z Wydziału Bilogii Uniwersytetu Jagiellońskiego (dr hab. Anna Michalik, dr Diego Castillo Franco, dr Junchen Deng, Monika Prus-Frankowska, dr hab. Piotr Łukasik) oraz Muzeum i Instytutu Zoologii PAN (dr Adam Stroiński) opisali ekstremalnie małe genomy, należące do dwóch gatunków bakterii: Candidatus Sulcia muelleri i Candidatus Vidania fulgoroidea. Oba te mikroorganizmy żyją w ścisłej symbiozie z owadami z grupy piewików (podrząd pluskwiaków).

W przesłanej PAP informacji naukowcy wyjaśnili, że od przeszło 260 mln lat piewiki i bakterie tworzą trwałe, obligatoryjne związki: bakterie uzupełniają ubogą dietę owadów w niezbędne aminokwasy, a w zamian zyskują stabilne środowisko życia we wnętrzu gospodarza.

W trakcie milionów lat trwania takiej symbiozy bakterie stopniowo zaczęły tracić zdolność do samodzielnego życia poza organizmem owada. W efekcie ich genomy uległy redukcji do rekordowo małych rozmiarów, jakich nie odnotowano dotąd u żadnych innych organizmów komórkowych.

- Wielkość genomu, czyli ilość DNA i liczba genów, wyznacza zakres funkcji, jakie organizm może realizować samodzielnie. U większości bakterii genomy liczą kilka tysięcy genów i umożliwiają względnie niezależne życie w zmiennym środowisku. W przypadku bakterii żyjących w ścisłej symbiozie z owadami sytuacja wygląda inaczej: zamieszkując tkanki gospodarza (…) mogą funkcjonować z wielokrotnie mniejszą liczbą genów, polegając niemal całkowicie na białkach i innych związkach dostarczanych przez gospodarza - wyjaśnili naukowcy z UJ.

Jak dodali, właśnie dlatego genomy symbiontów zostały zredukowane do poziomu najbardziej konserwowanego zestawu genów, umożliwiającego jedynie produkcję aminokwasów, przetwarzanie informacji genetycznej oraz realizację podstawowych procesów metabolicznych.

Jako przykład naukowcy podali szczepy Vidania, których genomy zachowały zdolność do biosyntezy tylko jednego aminokwasu - fenyloalaniny, kluczowej m.in. dla budowy i utwardzania oskórka owadów. Silnie zredukowane zostały u nich również geny związane z przetwarzaniem informacji genetycznej i metabolizmem.

- Co istotne, tak skrajna redukcja wyewoluowała niezależnie w różnych liniach gospodarzy, co wskazuje na istnienie silnych ograniczeń ewolucyjnych i powtarzalność tego procesu - napisali autorzy odkrycia.

Badania pokazały także, że nawet po setkach milionów lat symbiozy redukcja genomu nie zawsze prowadzi do stabilnego stanu. W kilku liniach rozwojowych zaobserwowano dalsze, radykalne zmiany, takie jak fragmentacja genomu na mniejsze cząsteczki DNA czy rozpad jednego symbionta na kilka współzależnych linii bakteryjnych. Tempo i kierunek tych procesów wydają się zależeć m.in. od diety gospodarza oraz obecności innych mikroorganizmów, które mogą przejmować część funkcji utraconych przez pradawne bakterie.

Autorzy publikacji podkreślili, że opisane przez nich symbionty znajdują się wręcz na granicy samodzielnego życia komórkowego i pod wieloma względami przypominają pojedyncze organelle, takie jak mitochondria czy chloroplasty, które również wywodzą się z dawnych bakterii.

Najmniejszy genom, który zidentyfikowali, liczył zaledwie 50-52 tysiące par zasad DNA i nieco ponad 60 genów kodujących białka. Jak wyjaśnili biolodzy, jest to nawet mniej niż w chloroplastach, które zawierają 120-160 tysięcy par zasad.

Zdaniem specjalistów uzyskane wyniki pozwalają lepiej zrozumieć, jakie minimalne funkcje są konieczne, by komórka mogła istnieć, co ma znaczenie zarówno dla badań nad początkami życia na Ziemi, jak i jego potencjalnym występowaniem poza naszą planetą. Ich badania dowiodły bowiem, że życie może funkcjonować w formach znacznie prostszych, niż wcześniej sądzono, pod warunkiem ścisłej współpracy z innymi organizmami.

Praca polskich naukowców może być też inspiracją dla biologii syntetycznej i biotechnologii, gdzie od lat trwają próby projektowania komórek o maksymalnie uproszczonych genomach, do zastosowania w medycynie, rolnictwie czy przemyśle.

- Wreszcie badania te podkreślają znaczenie relacji i współzależności w przyrodzie. Pokazują, że ewolucja nie zawsze prowadzi do większej złożoności i samodzielności, lecz często do głębokiej specjalizacji i współpracy. Zrozumienie takich układów ma znaczenie dla ochrony bioróżnorodności i stabilności ekosystemów, w których nawet mikroskopijne organizmy pełnią kluczowe, choć nieoczywiste i niewidoczne na pierwszy rzut oka role - podsumowali badacze.

Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz

kap/ zan/