Odkryto bakterie symbiotyczne żyjące wewnątrz owadów o najmniejszych genomach, jakie kiedykolwiek zarejestrowano dla żywego organizmu, przesuwając granice tego, co definiuje minimalne życie. Odkrycie podważa naszą wiedzę na temat tego, w jaki sposób organizmy mogą przetrwać przy radykalnie zredukowanym materiale genetycznym i rodzi pytania dotyczące ścieżki ewolucyjnej od wolno żyjących drobnoustrojów do składników komórkowych, takich jak mitochondria.
Bardzo skurczone symbionty
Skoczki roślinne, owady żywiące się wyłącznie sokiem roślinnym, są zależne od bakterii symbiotycznych, które uzupełniają ich spożycie składników odżywczych. Przez miliony lat bakterie te tak ściśle splatały się ze swoimi żywicielami, że żyją w wyspecjalizowanych komórkach w odwłoku owada, dostarczając niezbędnych składników odżywczych, których owady nie mogą uzyskać ze swojej słodkiej diety. W wyniku tego uzależnienia bakterie radykalnie zredukowały swoje genomy – pełny zestaw instrukcji genetycznych – do ułamka ich pierwotnej wielkości.
Naukowcy pod kierownictwem Piotra Łukasika z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie przeanalizowali DNA pobrane od 149 owadów należących do 19 rodzin skoczków liściowych. Zespół zsekwencjonował genomy dwóch kluczowych bakterii symbiotycznych, Vidania i Sulcia, i stwierdził, że są one niewiarygodnie małe: długość mniejsza niż 181 000 par zasad. Dla porównania, ludzki genom zawiera miliardy par zasad. Niektóre szczepy Vidania miały długość zaledwie 50 000 par zasad, co czyniło go najmniejszym znanym genomem jakiegokolwiek żywego organizmu, przewyższając poprzedniego rekordzistę, Nasuię.
Na krawędzi rentowności
Przy tak zmniejszonym rozmiarze – niektóre szczepy zawierają tylko około 60 genów kodujących białka – bakterie te istnieją na skalę wirusów. Dla porównania, genom wirusa wywołującego COVID-19 ma długość około 30 000 par zasad. Rodzi to zasadnicze pytanie: w którym momencie znacznie zredukowany mikroorganizm przestaje być uważany za w pełni żywy? Rozróżnienie między żywym organizmem a organellą, taką jak mitochondrium, staje się coraz bardziej zatarte.
Główną funkcją bakterii w tej symbiozie jest produkcja fenyloalaniny, aminokwasu niezbędnego do budowy i wzmacniania egzoszkieletów owadów. Zespół Lukasika sugeruje, że masowa utrata genów następuje, gdy owady zdobywają alternatywne źródła składników odżywczych lub gdy inne drobnoustroje przejmują te role.
Ewolucja i pochodzenie organelli
Bakterie symbiotyczne ewoluowały wspólnie ze swoimi żywicielami-owadami przez około 263 miliony lat, niezależnie ewoluując do ekstremalnych redukcji genomu w różnych grupach skoczków roślinnych. Ta ewolucyjna trajektoria odzwierciedla pochodzenie mitochondriów i chloroplastów – organelli wytwarzających energię w komórkach zwierzęcych i roślinnych, które wyewoluowały ze starożytnych bakterii. Organelle te znajdują się również wewnątrz komórek gospodarza i są przekazywane z pokolenia na pokolenie.
Chociaż niektórzy badacze, na przykład Nancy Moran z Uniwersytetu Teksasu w Austin, są skłonni klasyfikować te znacznie zredukowane bakterie jako organelle, różnice pozostają. Mitochondria są znacznie starsze, sięgają ponad 1,5 miliarda lat temu, a ich genomy są jeszcze mniejsze – około 15 000 par zasad. Ponadto mitochondria są rozmieszczone w całym organizmie, podczas gdy te symbiotyczne bakterie pozostają zamknięte w wyspecjalizowanych komórkach.
Lukasik sugeruje, że zarówno te bakterie, jak i mitochondria po prostu zajmują różne punkty ewolucyjnego gradientu zależności. Podejrzewa, że nawet mniejsze genomy symbiontów pozostają niewykryte, co jeszcze bardziej zaciera granice między życiem, symbiozą i integracją komórkową.
