Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Muzeum i Instytutu Zoologii PAN opisali bakterie o rekordowo małych genomach – liczących zaledwie około 60 genów. To najmniejsze znane genomy u bakterii niebędących organellami komórkowymi. Odkrycie rzuca nowe światło na granice życia komórkowego i ewolucję symbioz.
Genomy mniejsze niż w chloroplastach
W większości bakterii genomy obejmują kilka tysięcy genów, co pozwala im funkcjonować samodzielnie w zmiennym środowisku. Jednak u symbiontów owadów sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Badacze wykazali, że niektóre bakterie żyjące w ścisłej symbiozie z piewikami fulgorokształtnymi (Hemiptera: Fulgoromorpha) posiadają genomy liczące zaledwie 50–52 tys. par zasad DNA i nieco ponad 60 genów.
To mniej niż połowa liczby genów typowego chloroplastu i zaledwie około 1% genomu wolno żyjącej bakterii. Wyniki badań opublikowano w Nature Communications.
Symbioza trwająca 260 milionów lat
Piewiki od setek milionów lat żyją w ścisłym związku z dziedziczonymi bakteriami symbiotycznymi. Ich jedyny pokarm – sok roślinny – jest ubogi w kluczowe składniki odżywcze. Dlatego to właśnie symbionty dostarczają owadom niezbędnych aminokwasów.
Naukowcy przeanalizowali genomy dwóch takich symbiontów:
- Candidatus Sulcia muelleri,
- Candidatus Vidania fulgoroidea
z kilkudziesięciu gatunków piewików.
Ekstremalna redukcja genomu – jak daleko może posunąć się ewolucja?
U większości badanych gatunków genomy symbiontów zachowują zestaw genów odpowiedzialnych za produkcję aminokwasów, przetwarzanie informacji genetycznej i podstawowe procesy metaboliczne. Jednak w kilku liniach rozwojowych doszło do skrajnej redukcji genomu.
Najbardziej zredukowane szczepy Vidania zachowały jedynie minimalny zestaw genów niezbędnych do podstawowych procesów komórkowych. Co więcej, potrafią produkować już tylko jeden aminokwas – fenyloalaninę, kluczową m.in. . dla budowy i utwardzania oskórka owadów.
Co istotne, tak skrajnie uproszczone genomy wyewoluowały niezależnie w różnych liniach gospodarzy, co wskazuje na silne ograniczenia ewolucyjne i powtarzalność tego procesu.
Gdy genom pęka na kawałki
Badania pokazują, że redukcja genomu nie zawsze prowadzi do stabilnego stanu. W niektórych liniach piewików naukowcy zaobserwowali:
- fragmentację genomu na małe cząsteczki DNA,
- podział jednego symbionta na kilka linii bakteryjnych, które wspólnie pełnią funkcje pierwotnego organizmu.
Tempo i kierunek tych zmian zależą m.in. . od diety gospodarza, jego trybu życia oraz obecności dodatkowych mikroorganizmów, które mogą przejmować utracone funkcje.
Bakterie jak organelle – życie na absolutnym minimum
Zdaniem autorów pracy odkrycie pozwala lepiej zrozumieć, jakie funkcje są absolutnie niezbędne, by komórka mogła istnieć. Tak zredukowane bakterie przypominają pod wieloma względami mitochondria i chloroplasty, które również wywodzą się z dawnych bakterii.
To ważne dla badań nad:
- początkami życia,
- minimalnymi wymaganiami organizmów,
- możliwością istnienia prostych form życia poza Ziemią.
Znaczenie dla biotechnologii i biologii syntetycznej
Od lat trwają próby projektowania komórek o minimalnych genomach. Naturalne systemy symbiotyczne opisane w badaniu stanowią ewolucyjnie sprawdzone modele „minimalnych komórek”, które mogą inspirować nowe rozwiązania w:
- medycynie,
- rolnictwie,
- przemyśle biotechnologicznym.
Ewolucja to nie tylko wzrost złożoności
Badania podkreślają, że ewolucja nie zawsze prowadzi do większej samodzielności organizmów. Często zmierza w stronę specjalizacji i współzależności, które mogą być równie skuteczną strategią przetrwania.
Zrozumienie takich układów ma znaczenie także dla ochrony bioróżnorodności – nawet mikroskopijne organizmy odgrywają kluczowe, choć niewidoczne na pierwszy rzut oka role w ekosystemach.
Źródło i finansowanie badań
Artykuł „Convergent extreme reductive evolution in ancient planthopper symbioses” dostępny jest na stronie nature.com. Badania sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki oraz Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej.
