Es wurden in Insekten lebende symbiotische Bakterien mit den kleinsten Genomen gefunden, die jemals für einen lebenden Organismus aufgezeichnet wurden, was die Grenzen dessen verschiebt, was minimales Leben ausmacht. Die Entdeckung stellt unser Verständnis davon in Frage, wie Organismen mit stark reduziertem genetischem Material überleben können, und wirft Fragen über den Evolutionsweg von frei lebenden Mikroben zu zellulären Komponenten wie Mitochondrien auf.
Die ultrareduzierten Symbionten
Pflanzenzikaden, Insekten, die sich ausschließlich von Pflanzensäften ernähren, sind zur Ergänzung ihrer Nährstoffaufnahme auf symbiotische Bakterien angewiesen. Im Laufe der Millionen von Jahren haben sich diese Bakterien so stark mit ihren Wirten verflochten, dass sie sich in speziellen Zellen im Hinterleib des Insekts aufhalten und ihnen essentielle Nährstoffe liefern, die sie mit ihrer zuckerhaltigen Nahrung nicht aufnehmen können. Aufgrund dieser Abhängigkeit haben die Bakterien ihr Genom – den gesamten Satz genetischer Anweisungen – drastisch auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe verkleinert.
Forscher unter der Leitung von Piotr Łukasik von der Jagiellonen-Universität in Krakau, Polen, analysierten die DNA von 149 Insekten aus 19 Zikadenfamilien. Das Team sequenzierte die Genome zweier wichtiger symbiotischer Bakterien, Vidania und Sulcia, und stellte fest, dass sie unglaublich klein sind: weniger als 181.000 Basenpaare lang. Im Gegensatz dazu enthält das menschliche Genom Milliarden von Basenpaaren. Einige Vidania -Stämme hatten nur 50.000 Basenpaare und waren damit die kleinsten bekannten Genome aller Lebensformen und übertrafen damit den bisherigen Rekordhalter Nasuia.
Der Rand der Lebensfähigkeit
Bei solch einer reduzierten Größe – einige Stämme besitzen nur etwa 60 Protein-kodierende Gene – existieren diese Bakterien in der Größenordnung von Viren. Zum Vergleich: Das Genom des Virus hinter COVID-19 ist rund 30.000 Basenpaare lang. Dies wirft eine grundlegende Frage auf: Ab wann gilt ein stark reduzierter Mikroorganismus nicht mehr als vollständig lebendig? Die Unterscheidung zwischen einem lebenden Organismus und einer Organelle wie Mitochondrien wird zunehmend unschärfer.
Die Hauptfunktion der Bakterien in dieser symbiotischen Beziehung besteht darin, Phenylalanin zu produzieren, eine Aminosäure, die für den Aufbau und die Stärkung des Exoskeletts von Insekten entscheidend ist. Łukasiks Team vermutet, dass es zu einem massiven Genverlust kommt, wenn Insekten alternative Nährstoffquellen erwerben oder wenn zusätzliche Mikroben diese Rollen übernehmen.
Evolution und Ursprung der Organellen
Die symbiotischen Bakterien entwickeln sich seit etwa 263 Millionen Jahren gemeinsam mit ihren Insektenwirten und entwickeln sich dabei unabhängig voneinander zu einer extremen Genomreduktion in verschiedenen Gruppen von Pflanzenzikaden. Dieser evolutionäre Verlauf spiegelt die Ursprünge von Mitochondrien und Chloroplasten wider – energieproduzierende Organellen in tierischen und pflanzlichen Zellen, die von alten Bakterien abstammen. Diese Organellen befinden sich auch in Wirtszellen und werden über Generationen weitergegeben.
Während einige Forscher, wie Nancy Moran von der University of Texas in Austin, bereit sind, diese stark reduzierten Bakterien als Organellen zu klassifizieren, bestehen weiterhin Unterschiede. Mitochondrien sind viel älter, sie entstanden vor über 1,5 Milliarden Jahren, und ihre Genome sind sogar noch kleiner – etwa 15.000 Basenpaare. Darüber hinaus sind Mitochondrien im gesamten Organismus verteilt, während diese symbiotischen Bakterien auf spezialisierte Zellen beschränkt bleiben.
Łukasik schlägt vor, dass sowohl diese Bakterien als auch die Mitochondrien einfach unterschiedliche Punkte auf einem evolutionären Abhängigkeitsgradienten einnehmen. Er vermutet, dass noch kleinere Symbiontengenome unentdeckt bleiben, was die Grenzen zwischen Leben, Symbiose und zellulärer Integration weiter verwischt.
