Naukowcy z Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Muzeum i Instytutu Zoologii PAN wykazali, że niektóre z bakterii posiadają najmniejsze genomy spośród wszystkich znanych bakterii niebędących organellami komórkowymi. Genomy te kodują zaledwie ok. 60 rozpoznawalnych genów. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications”.
Wielkość genomu – czyli ilość DNA i liczba genów – wyznacza zakres funkcji, jakie organizm jest w stanie samodzielnie realizować. U większości bakterii genomy liczą kilka tysięcy genów i pozwalają na względnie niezależne życie w zmiennym środowisku. Natomiast bakterie żyjące w ścisłej symbiozie z owadami – zamieszkujące ich tkanki i dostarczające im składników odżywczych brakujących w pokarmie – mogą funkcjonować z wielokrotnie mniejszą liczbą genów. Taka utrata własnych zdolności metabolicznych wiąże się z całkowitą zależnością od owada-gospodarza, dostarczającego symbiontom kluczowe białka i realizującego ich życiowe funkcje.
Naukowcy z Wydziału Biologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Muzeum i Instytutu Zoologii PAN wykazali właśnie, że niektóre z bakterii posiadają najmniejsze genomy spośród wszystkich znanych bakterii niebędących organellami komórkowymi. W swoich badaniach skupili się na symbiozach pluskwiaków – piewików fulgorokształtnych (Hemiptera: Fulgoromorpha) – zróżnicowanej grupy owadów obejmującej liczne szkodniki upraw. Owady te od ponad 260 milionów lat pozostają w ścisłym związku z dziedziczonymi bakteriami symbiotycznymi. Sok roślinny, stanowiący jedyny pokarm piewików, jest ubogi w kluczowe składniki odżywcze. To niezbędne aminokwasy dostarczane przez symbionty są warunkiem ich przeżycia.
Naukowcy przeanalizowali genomy dwóch dziedzicznych symbiontów tych owadów – Candidatus Sulcia muelleri i Candidatus Vidania fulgoroidea – z kilkudziesięciu gatunków piewików. U większości gatunków silnie zredukowane genomy symbiontów zawierają konserwowany zestaw genów odpowiadających za produkcję aminokwasów, przetwarzanie informacji genetycznej oraz podstawowe elementy metabolizmu. W kilku liniach rozwojowych piewików doszło jednak do znacznie dalej posuniętej, ekstremalnej redukcji genomu w trakcie długiej wspólnej ewolucji z gospodarzem.
W najbardziej ekstremalnych przypadkach genom bakterii Vidania liczy zaledwie 50–52 tysięcy par zasad DNA i nieco ponad 60 genów kodujących białka – to znacznie mniej niż w jakichkolwiek innych znanych genomach bakteryjnych. Tak zredukowane genomy zachowały jedynie minimalny zestaw genów uczestniczących w podstawowych procesach komórkowych, co wskazuje na ich wyjątkowo silną zależność od gospodarza. Redukcji uległa także zdolność produkcji składników odżywczych: szczepy o najmniejszych genomach mogą wytwarzać tylko jeden aminokwas – fenyloalaninę, kluczową m.in. dla budowy i utwardzania oskórka owadów. Co istotne, tak skrajnie zredukowane i bardzo podobne genomy wyewoluowały niezależnie w różnych liniach gospodarzy, co wskazuje na istnienie silnych ograniczeń ewolucyjnych i powtarzalność tego procesu.
Choć symbioza ta trwa od setek milionów lat, badania pokazują, że proces redukcji genomu nie zawsze prowadzi do stabilnego stanu. W niektórych liniach piewików naukowcy nie byli w stanie w pełni zrekonstruować genomów symbiontów, a uzyskane dane wskazują na dalsze, ekstremalne zmiany. Należy do nich fragmentacja genomu na małe cząsteczki DNA, a nawet podział jednego symbionta na odrębne linie bakteryjne, które wspólnie pełnią funkcje symbionta wyjściowego. Tempo i kierunek takich ekstremalnych zmian zależy m.in. od ekologii gospodarza – jego diety, trybu życia oraz obecności dodatkowych mikroorganizmów symbiotycznych, które mogą częściowo przejmować funkcje utracone przez najstarsze symbionty.
Zdaniem badaczy, uzyskane wyniki pozwalają lepiej zrozumieć, jak daleko może zajść redukcja genomu oraz jakie minimalne funkcje są konieczne, aby komórka mogła istnieć i funkcjonować. Obserwowane bakterie znajdują się na granicy samodzielnego życia komórkowego i pod wieloma względami przypominają organelle komórkowe, takie jak mitochondria czy chloroplasty, które również wywodzą się z dawnych bakterii. Poznanie mechanizmów skrajnej redukcji genomu ma istotne znaczenie dla badań nad początkami życia i jego minimalnymi wymaganiami, co jest ważne m.in. w kontekście rekonstrukcji początków życia na Ziemi i jego poszukiwania poza naszą planetą. Pokazuje bowiem, że życie może funkcjonować w formach znacznie prostszych niż wcześniej sądzono – pod warunkiem ścisłej współpracy z innymi organizmami.
Wyniki te są również istotne dla biotechnologii i biologii syntetycznej, gdzie od lat trwają próby projektowania komórek o minimalnych genomach. Naturalne systemy symbiotyczne opisane w badaniach stanowią unikalne, ewolucyjnie sprawdzone modele „minimalnych komórek”, które mogą inspirować przyszłe 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 także dla ochrony bioróżnorodności i stabilności ekosystemów, w których nawet mikroskopijne organizmy pełnią kluczowe, choć nieoczywiste i niewidoczne na pierwszy rzut oka role.
Badania zostały opisane na łamach czasopisma „Nature Communications”.
Alicja Bielecka, źródło: UJ