Симбіотичні бактерії, що живуть усередині комах, були виявлені з найменшими геномами, які коли-небудь зареєстровані для живого організму, розширюючи межі того, що визначає мінімальне життя. Це відкриття кидає виклик нашому розумінню того, як організми можуть виживати з різко зменшеним генетичним матеріалом, і порушує питання про еволюційний шлях від мікробів, що вільно живуть, до клітинних компонентів, таких як мітохондрії.
Ультра-зменшені симбіонти
Цикадки, комахи, що харчуються виключно рослинним соком, залежать від симбіотичних бактерій для заповнення споживання поживних речовин. За мільйони років ці бактерії настільки тісно переплелися зі своїми господарями, що мешкають у спеціалізованих клітинах черевця комахи, забезпечуючи необхідні поживні речовини, які комахи не можуть отримати зі своєї солодкої дієти. Внаслідок цієї залежності бактерії різко скоротили свої геноми – повний набір генетичних інструкцій – до частки свого початкового розміру.
Дослідники під керівництвом Петра Лукасіка з Ягеллонського університету в Кракові, Польща, проаналізували ДНК, витягнуту із 149 комах, що належать до 19 сімейств цикадок. Команда секвенувала геноми двох ключових симбіотичних бактерій, Vidania і Sulcia, виявивши, що вони неймовірно малі: менше 181 000 пар основ у довжину. Для порівняння, людський геном містить мільярди пар основ. Деякі штами Vidania налічували всього 50 000 пар підстав, що робить їх найменшим відомим геномом для будь-якого живого організму, випереджаючи попереднього рекордсмена, Nasuia.
На Грані Життєздатності
При такому зменшеному розмірі – деякі штами містять лише близько 60 генів, що кодують білки – ці бактерії існують у масштабі вірусів. Для порівняння, геном вірусу, що викликає COVID-19, становить близько 30 000 пар основ у довжину. Це порушує фундаментальне питання: у який момент сильно зменшений мікроорганізм перестає вважатися повністю живим? Розмежування між живим організмом і органелою, такою як мітохондрія, стає дедалі розмитим.
Основна функція бактерій у цих симбіотичних відносинах – виробляти фенілаланін, амінокислоту, необхідну для побудови та зміцнення екзоскелетів комах. Команда Лукасика припускає, що масивна втрата генів відбувається, коли комахи набувають альтернативних джерел поживних речовин або коли інші мікроби беруть на себе ці ролі.
Еволюція та Походження Органелл
Симбіотичні бактерії еволюціонували разом зі своїми господарями-комахами протягом приблизно 263 мільйонів років, незалежно еволюціонуючи до екстремального скорочення геному в різних групах цикадок. Ця еволюційна траєкторія відбиває походження мітохондрій і хлоропластів — органел, які виробляють енергію в клітинах тварин і рослин, що походять від давніх бактерій. Ці органели також знаходяться всередині клітин-господарів і передаються з покоління до покоління.
В той час, як деякі дослідники, такі як Ненсі Моран з Техаського університету в Остіні, готові класифікувати ці сильно зменшені бактерії як органели, відмінності залишаються. Мітохондрії набагато старші, з’явившись понад 1,5 мільярда років тому, і їх геноми ще менші — близько 15 000 пар основ. Крім того, мітохондрії розподілені по всьому організму, тоді як ці симбіотичні бактерії залишаються ув’язненими у спеціалізованих клітинах.
Лукасик передбачає, що ці бактерії, і мітохондрії просто займають різні точки на еволюційному градієнті залежності. Він підозрює, що ще дрібніші геноми симбіонтів залишаються не виявленими, ще більше розмиваючи межі між життям, симбіозом та клітинною інтеграцією.
