Symbiotické bakterie žijící uvnitř hmyzu byly objeveny s nejmenšími genomy, jaké byly kdy zaznamenány u živého organismu, čímž se posouvají hranice toho, co definuje minimální život. Tento objev zpochybňuje naše chápání toho, jak mohou organismy přežít s dramaticky sníženým genetickým materiálem, a vyvolává otázky o evoluční cestě od volně žijících mikrobů k buněčným složkám, jako jsou mitochondrie.
Ultra-smrštění symbionti
Planthoppers, hmyz, který se živí výhradně rostlinnou šťávou, závisí na symbiotických bakteriích, aby doplnily svůj příjem živin. Během milionů let se tyto bakterie tak těsně propletly se svými hostiteli, že žijí ve specializovaných buňkách v břiše hmyzu a poskytují základní živiny, které hmyz nemůže získat ze své sladké stravy. V důsledku této závislosti bakterie dramaticky zmenšily své genomy – kompletní sadu genetických instrukcí – na zlomek jejich původní velikosti.
Výzkumníci vedení Piotrem Lukasikem z Jagellonské univerzity v Krakově v Polsku analyzovali DNA extrahovanou ze 149 hmyzu patřícího do 19 rodin listonohů. Tým sekvenoval genomy dvou klíčových symbiotických bakterií, Vidania a Sulcia, a zjistil, že jsou neuvěřitelně malé: na délku méně než 181 000 párů bází. Pro srovnání, lidský genom obsahuje miliardy párů bází. Některé kmeny Vidania byly dlouhé pouze 50 000 párů bází, což z nich činilo nejmenší známý genom pro jakýkoli živý organismus, čímž překonal předchozího rekordmana Nasuia.
Na pokraji životaschopnosti
V této zmenšené velikosti – některé kmeny obsahují pouze asi 60 genů kódujících protein – tyto bakterie existují na úrovni virů. Pro srovnání, genom viru, který způsobuje COVID-19, je dlouhý asi 30 000 párů bází. To vyvolává zásadní otázku: ve kterém okamžiku přestává být značně redukovaný mikroorganismus považován za plně živý? Rozdíl mezi živým organismem a organelou, jako je mitochondrie, se stále více stírá.
Hlavní funkcí bakterií v tomto symbiotickém vztahu je produkce fenylalaninu, aminokyseliny nezbytné pro stavbu a posílení exoskeletu hmyzu. Lukasikův tým naznačuje, že k masivní ztrátě genů dochází, když hmyz získá alternativní zdroje živin nebo když tyto role převezmou jiné mikroby.
Evoluce a původ organel
Symbiotické bakterie se vyvíjely společně se svými hmyzími hostiteli po dobu přibližně 263 milionů let, nezávisle na sobě se vyvíjely k extrémnímu snížení genomu u různých skupin planthoppers. Tato evoluční trajektorie odráží původ mitochondrií a chloroplastů, organel produkujících energii v živočišných a rostlinných buňkách, které se vyvinuly ze starých bakterií. Tyto organely se také nacházejí uvnitř hostitelských buněk a předávají se z generace na generaci.
Zatímco někteří výzkumníci, jako je Nancy Moranová z University of Texas v Austinu, jsou ochotni klasifikovat tyto značně redukované bakterie jako organely, rozdíly přetrvávají. Mitochondrie jsou mnohem starší, pocházejí z doby před více než 1,5 miliardami let a jejich genomy jsou ještě menší – asi 15 000 párů bází. Kromě toho jsou mitochondrie distribuovány po celém těle, zatímco tyto symbiotické bakterie zůstávají uzavřeny ve specializovaných buňkách.
Lukasik naznačuje, že jak tyto bakterie, tak mitochondrie jednoduše zaujímají různé body na evolučním gradientu závislosti. Má podezření, že ještě menší genomy symbiontů zůstávají neodhaleny, což dále stírá hranice mezi životem, symbiózou a buněčnou integrací.
