Ученые сумели внедрить бактерии в большую клетку, создав отношения, подобные тем, которые послужили толчком к эволюции сложной жизни.
Эта работа, описанная в журнале Nature 2 октября, может помочь исследователям понять происхождение специализированных органелл - митохондрий и хлоропластов - более миллиарда лет назад. Эндосимбиотические отношения при которых микробный партнер гармонично живет внутри клеток другого организма встречаются во многих формах жизни, включая насекомых и грибки. Ученые считают, что митохондрии - органеллы, отвечающие за производство энергии в клетках, - появились, когда бактерия поселилась внутри предка эукариотических клеток. Хлоропласты возникли, когда предок растений проглотил фотосинтезирующий микроорганизм.
Определить факторы, которые сформировали и поддерживали эти комбинации, сложно, поскольку они возникли очень давно. Чтобы решить эту проблему, группа под руководством микробиолога Джулии Ворхольт из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich) в течение последних нескольких лет занималась созданием эндосимбиозов в лабораторных условиях. Ученые использовали иглу с просветом 500-1000 нанометров для прокалывания клеток хозяина и последующей доставки бактериальных клеток во внутрь одной за другой.
Даже при таком техническом мастерстве первые пробы, как правило, оказывались неудачными, например, из-за того, что будущий симбионт делился слишком быстро и убивал своего хозяина. Удача улыбнулась ученым, когда они воссоздали естественный симбиоз, возникающий между некоторыми штаммами грибка-патогена растений Rhizopus microsporus и бактерией Mycetohabitans rhizoxinica, которая вырабатывает токсин, защищающий этот грибок от хищников.
Исследователи имплантировали бактерии в грибок Rhizopus.Фото: SRMY/Shutterstock
Однако доставка бактериальных клеток в грибки, которые имеют толстые клеточные стенки, сдерживающие высокое внутреннее давление, оказалась непростой задачей. Проткнув стенку иглой, исследователи использовали велосипедный насос, а затем воздушный компрессор, чтобы поддерживать давление, достаточное для доставки бактерий.
Преодолев первоначальный шок от операции, грибки продолжили свой жизненный цикл и произвели споры, часть из которых содержала бактерии. Когда эти споры прорастали, бактерии появлялись и в клетках следующего поколения грибков. Это свидетельствует о том, что новый эндосимбионт может передаваться потомству, что является ключевым открытием.
Однако успех прорастания спор, содержащих бактерии, был невелик. В смешанной популяции спор (часть с бактериями и часть без) споры с бактериями исчезали через два поколения. Чтобы выяснить, можно ли улучшить ситуацию, исследователи использовали флуоресцентный сортировщик клеток, чтобы отобрать споры, содержащие бактерии, которые были помечены светящимся белком, и размножали только эти споры в последующих циклах репродукции. Через десять поколений споры, содержащие бактерии, прорастали почти так же эффективно, как и споры без бактерий.
Основа этой адаптации неясна. Секвенирование генома выявило несколько мутаций, связанных с улучшением успеха прорастания у грибка R. microsporus, который не является естественным носителем эндосимбионтов, и не обнаружило никаких изменений у бактерий. По словам соавтора исследования Габриэля Гигера, линия, которая прорастала наиболее эффективно, имела тенденцию к ограничению количества бактерий в каждой споре. «Есть способы, с помощью которых эти два партнера могут лучше и легче уживаться друг с другом. Это то, что нам очень важно понять».
Исследователи не так много знают о генетике R. microsporus. Но Томас Ричардс, эволюционный биолог из Оксфордского университета, задается вопросом, не мешает ли иммунная система грибков симбиозу и не могут ли мутации в этой системе облегчить отношения. «Я большой поклонник этой работы», - добавляет он. Ева Новак, микробиолог из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе (Германия), была удивлена тем, как быстро эволюционировали симбиотические адаптации. В будущем она хотела бы посмотреть, что произойдет через еще более длительные промежутки времени, например, через более чем 1000 поколений.
Инженерия таких симбиозов может привести к созданию новых организмов с полезными свойствами, такими как способность потреблять углекислый газ или атмосферный азот, считает Ворхольт. «В этом и заключается идея: привнести в организм новые черты, которых у него нет и которые было бы трудно реализовать иным способом».
