Симбиотические бактерии, живущие внутри насекомых, были обнаружены с самыми маленькими геномами, когда-либо зарегистрированными для живого организма, расширяя границы того, что определяет минимальную жизнь. Это открытие бросает вызов нашему пониманию того, как организмы могут выживать с резко уменьшенным генетическим материалом, и поднимает вопросы об эволюционном пути от свободноживущих микробов к клеточным компонентам, таким как митохондрии.
Ультра-Уменьшенные Симбионты
Цикадки, насекомые, питающиеся исключительно растительным соком, зависят от симбиотических бактерий для восполнения своего потребления питательных веществ. За миллионы лет эти бактерии настолько тесно переплелись со своими хозяевами, что обитают в специализированных клетках брюшка насекомого, обеспечивая необходимые питательные вещества, которые насекомые не могут получить из своей сладкой диеты. В результате этой зависимости бактерии резко сократили свои геномы – полный набор генетических инструкций – до доли своего первоначального размера.
Исследователи под руководством Пётра Лукасика из Ягеллонского университета в Кракове, Польша, проанализировали ДНК, извлеченную из 149 насекомых, относящихся к 19 семействам цикадок. Команда секвенировала геномы двух ключевых симбиотических бактерий, Vidania и Sulcia, обнаружив, что они невероятно малы: менее 181 000 пар оснований в длину. Для сравнения, человеческий геном содержит миллиарды пар оснований. Некоторые штаммы Vidania насчитывали всего 50 000 пар оснований, что делает их самым маленьким известным геномом для любого живого организма, опережая предыдущего рекордсмена, Nasuia.
На Грани Жизнеспособности
При таком уменьшенном размере — некоторые штаммы содержат всего около 60 генов, кодирующих белки — эти бактерии существуют в масштабе вирусов. Для сравнения, геном вируса, вызывающего COVID-19, составляет около 30 000 пар оснований в длину. Это поднимает фундаментальный вопрос: в какой момент сильно уменьшенный микроорганизм перестаёт считаться полностью живым? Разграничение между живым организмом и органеллой, такой как митохондрия, становится все более размытым.
Основная функция бактерий в этих симбиотических отношениях — производить фенилаланин, аминокислоту, необходимую для построения и укрепления экзоскелетов насекомых. Команда Лукасика предполагает, что массивная потеря генов происходит, когда насекомые приобретают альтернативные источники питательных веществ или когда другие микробы берут на себя эти роли.
Эволюция и Происхождение Органелл
Симбиотические бактерии эволюционировали совместно со своими хозяевами-насекомыми в течение примерно 263 миллионов лет, независимо эволюционируя к экстремальному сокращению генома в различных группах цикадок. Эта эволюционная траектория отражает происхождение митохондрий и хлоропластов — органелл, производящих энергию в клетках животных и растений, которые произошли от древних бактерий. Эти органеллы также находятся внутри клеток-хозяев и передаются из поколения в поколение.
В то время как некоторые исследователи, такие как Нэнси Моран из Техасского университета в Остине, готовы классифицировать эти сильно уменьшенные бактерии как органеллы, различия остаются. Митохондрии гораздо старше, появившись более 1,5 миллиарда лет назад, и их геномы еще меньше — около 15 000 пар оснований. Кроме того, митохондрии распределены по всему организму, в то время как эти симбиотические бактерии остаются заключенными в специализированных клетках.
Лукасик предполагает, что как эти бактерии, так и митохондрии просто занимают разные точки на эволюционном градиенте зависимости. Он подозревает, что еще более мелкие геномы симбионтов остаются не обнаруженными, еще больше размывая границы между жизнью, симбиозом и клеточной интеграцией.
