Winzige Genome Können Hinweise Auf Erste Pflanzen Und Tiere Geben

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Symbiotische Bakterien, die in Insektenzellen leben, sind eng mit ihren Wirten verflochten, was die Wissenschaftler dazu veranlasst, sich zu fragen, wann diese Bakterien keine echten Organismen mehr sind und Teil der Zelle werden.

Aus Simons Science News (Originalgeschichte finden Sie hier).

Mit nur 121 Protein-kodierenden Genen hat das winzige Tremblaya princeps, ein symbiotisches Bakterium, das in spezialisierten Zellen des saftfressenden Mealybugs lebt, das kleinste bekannte Genom eines zellulären Organismus auf dem Planeten. Tremblaya hilft, den Mealybug mit essentiellen Aminosäuren zu versorgen, und erhält im Gegenzug wahrscheinlich Nährstoffe und andere lebenserhaltende Moleküle. Und selbst wenn es die unteren Grenzen der Genomgröße testet, kann das Tremblaya-Genom immer noch Gene abgeben.

Noch überraschender war, dass Wissenschaftler 2011 entdeckten, dass Tremblaya seinen eigenen bakteriellen Gast beherbergt. Das als Moranella-Endobie bezeichnete Bakterium ist kleiner als sein Wirt, hat jedoch mehr als dreimal so viele Gene. Zusammen bilden die drei Organismen ein komplexes, voneinander abhängiges Netz. Die verschachtelten Bakterien ergänzen sich und ihren Insektenwirt und bilden ein genetisches Flickenteppich aus Enzymen, die zur Produktion von Aminosäuren benötigt werden, die in der Saftdiät der Mealybugs fehlen.

Tremblaya stellt ein Paradox dar, von dem einige Biologen glauben, dass es helfen könnte, die Entwicklung von Zellteilen zu beleuchten. Die Kombination von Wirt und Symbiont hat es Tremblaya ermöglicht, viele seiner Gene abzulegen und mit einer Genomgröße zu überleben, die einst für unmöglich gehalten wurde.

"Es ist bemerkenswert, wie diese Bakterien die Untergrenze dessen überschritten haben, was wir als lebensfähigen Organismus betrachten", sagte John Archibald, Mikrobiologe an der Dalhousie-Universität in Halifax, Nova Scotia. "Vor zehn Jahren hätten die Menschen über die Idee von Bakterien mit einem so kleinen Gensatz gelacht."

Angesichts seiner extremen Genauigkeit und der Tatsache, dass es sowohl von seinem Wirt als auch von ansässigen Mikroben viele wichtige Dinge erhalten muss, schlagen einige vor, dass Tremblaya die Grenzen zwischen zellulären Organismen und Organellen verwischt, spezialisierten Strukturen innerhalb von Zellen wie den Energie produzierenden Mitochondrien. Es wurde offiziell als Endosymbiont bezeichnet, ein Organismus, der in den Zellen eines anderen Organismus lebt. Aber seine Genomgröße ähnelt der einiger Organellen. "Wann hören diese Dinge auf, Bakterien zu sein?" fragte John McCutcheon, ein Biologe an der Universität von Montana in Missoula, der diese Organismen untersucht.

In der Tat wissen Wissenschaftler jetzt, dass sich einige Organellen aus Endosymbionten-Bakterien entwickelt haben, was die Hoffnung weckt, dass die Untersuchung winziger Endosymbionten wie Tremblayacac Licht auf die Entwicklung dieser Organellen werfen könnte. "Es gibt keine helle Linie zwischen Endosymbionten und Organellen", sagte McCutcheon. "Wir sehen uns vielleicht etwas an, das dem Übergang von Endosymbionten zu Organellen verdammt ähnlich ist."

In einem Artikel, der am 20. Juni in der Zeitschrift Cell veröffentlicht wurde, enthüllen McCutcheon und Mitarbeiter ein auffallend neues Maß an gegenseitiger Abhängigkeit zwischen der Tremblaya-Troika. Das Mealybug-Genom scheint Gene aus anderen Arten von Bakterien zu enthalten, die sich von Tremblaya und Moranella unterscheiden, und die beiden Endosymbionten-Bakterien können die Proteinprodukte dieser Gene verwenden, um Nährstoffe herzustellen und ihre Membranen herzustellen.

Archibald, der nicht an der Studie beteiligt war, beschrieb sie als "viel Mischen und Matching in der Evolutionszeit".

Liliputaner Familie

Tremblaya gehört zu einer wachsenden Familie extrem kleiner endosymbiotischer Bakterien, die in den letzten sieben Jahren entdeckt wurden und die Annahmen der Wissenschaftler über die minimale Blaupause des Lebens in Frage gestellt haben. „Es setzt der Evolution irgendwie Grenzen; Wie viel können Sie in Richtung Effizienz entwickeln und trotzdem intakt sein? “fragte Moselio Schaechter, emeritierter Professor für Mikrobiologie an der Tufts University School of Medicine in Boston, Massachusetts.

In den meisten der letzten 40 Jahre glaubten Wissenschaftler, dass die kleinsten Genome Bakterien der Gattung Mycoplasma gehören. Mycoplasma genitalium, das mit nur 482 proteinkodierenden Genen im menschlichen Genitaltrakt lebt (im Vergleich zu etwa 20.000 im menschlichen Genom), wurde 1995 zum zweiten jemals sequenzierten Bakteriengenom und blieb das kleinste, das Wissenschaftlern seit etwa 100 Jahren bekannt ist ein Jahrzehnt. "Die Insekten-Endosymbionten haben die Türen dieser Nummer gesprengt", sagte McCutcheon. (M. genitaliumis gilt immer noch als das kleinste Genom eines frei lebenden Organismus - im Gegensatz zu Tremblaya kann es im Labor gezüchtet werden.)

Viele Wissenschaftler sind aus praktischen Gründen daran interessiert, diese Organismen mit kleinem Genom zu untersuchen. Forscher am J. Craig Venter Institute entwickeln beispielsweise ein abgespecktes Bakterium, das als Chassis für biologische Maschinen zur Herstellung von Kraftstoff, Medikamenten oder anderen nützlichen Chemikalien verwendet werden kann.

Die stromlinienförmigsten Lebensformen der Natur bieten auch eine Lektion in Sparsamkeit und Zusammenarbeit. "Ein Endosymbiont wie Tremblaya ist ein Beispiel dafür, wie klug Organismen werden können", sagte Schaechter. "Sie können die Evolution vor sich sehen."

Die Sammlung von Bakterien mit winzigen Genomen ist überraschend vielfältig, da sie aus einer Reihe von bakteriellen Vorfahren hervorgegangen sind und eine Vielzahl von Genen erhalten und abgestoßen haben. Dank der geschützten Umgebung der Wirtszelle neigen diese Organismen dazu, sich schnell zu entwickeln, wobei die kleinste Mutation die schnellste ist. Tremblaya und seine Gegenstücke haben viele der an der DNA-Reparatur beteiligten Gene verloren und ihre Evolutionsraten weiter beschleunigt. Sie haben auch Gene verloren, die für die Herstellung der sie umgebenden Schutzmembranen erforderlich sind, und es wird angenommen, dass sie stattdessen auf Membrankomponenten aus der Wirtszelle beruhen. Die Gene, die diese Organismen behalten, sind in der Regel an der Produktion von Nährstoffen für den Wirt sowie an der Durchführung einer sogenannten Informationsreparatur beteiligt, die die DNA-Replikation und die Übersetzung von Genen in Proteine umfasst. (Nützliche Endosymbionten wie Tremblaya sind bei Wirbellosen ziemlich häufig, bei Menschen und anderen Wirbeltieren jedoch selten.)

Einer der faszinierendsten Gründe für die Untersuchung von Endosymbionten wie Tremblayais, um mehr über die Entwicklung von Mitochondrien und Chloroplasten zu erfahren, membrangebundenen Strukturen in Zellen, die Energie produzieren. Ihre Entstehung vor mehr als einer Milliarde Jahren war ein grundlegendes Ereignis bei der Entwicklung von Eukaryoten, zu denen Pflanzen, Tiere, Protisten und Pilze gehören.

Wissenschaftler schlugen die Idee vor, dass sich diese Organellen bereits Ende des 19. Jahrhunderts aus Bakterien entwickelten, obwohl die Theorie erst in den 1970er Jahren populär wurde. Zwei Schlüsselereignisse ermöglichten die Entwicklung von Organellen: Die Vorläuferbakterien übertrugen viele ihrer Gene auf das Genom des Wirts und entwickelten eine Methode zum Transport der von diesen und anderen Genen produzierten Proteine zurück in ihre eigenen Membranen. Menschliche Mitochondrien haben zum Beispiel nur 13 Gene, die für eigene Proteine kodieren, aber Tausende von Proteinen einsetzen, um Energie für die Zelle zu erzeugen.

Obwohl ihre bakteriellen Ursprünge inzwischen gut bekannt sind, bleiben viele Fragen zur Entwicklung dieser Organellen offen. Die mittlerweile allgegenwärtigen Mitochondrien haben sich zum Beispiel nur einmal entwickelt, und Wissenschaftler können nur das Ergebnis des Ereignisses und nicht seinen Ursprung sehen. Tremblaya könnte den Prozess beleuchten, der zu Mitochondrien führte. "Da es nur einmal passiert ist, ist es schwer zu wissen, was passiert ist", sagte McCutcheon. "Das Studium von Endosymbionten gibt einen Einblick in diese."

Tiefe Integration

Tremblaya teilt bestimmte Eigenschaften mit Organellen - seine Genomgröße ähnelt der einiger Mitochondrien und Chloroplasten, es fehlen eine Reihe lebenswichtiger Gene und seine Biologie ist eng mit der seines Wirts verflochten. Ein offensichtlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass Organellen in fast jeder Zelle eines Organismus gefunden werden, während Endosymbionten, da ihre Hauptaufgabe darin besteht, Nährstoffe für ihre Wirte bereitzustellen, nur in bestimmten Zellen gefunden werden. Tremblaya kommt beispielsweise in spezialisierten Zellen vor, die als Bakteriome bezeichnet werden.

Eine der Schlüsselfragen rund um die Tremblaya-Biologie ist, wie die winzigen Organismen überleben. Eine Theorie besagt, dass sie wie Organellen ihre Insektenwirte mit einigen ihrer Gene sattelten, was helfen würde, ihre geringe Größe zu erklären und sie auf einen ähnlichen Entwicklungspfad wie Mitochondrien zu bringen. McCutcheons Team sah in ihrem Cellpaper keine Beweise dafür, aber was sie fanden, ist noch komplizierter.

Das Mealybug-Genom enthält 22 Gene von Bakterien mit Vorfahren, die nicht mit Tremblaya und Moranella verwandt sind. Diese Gene, die für Proteine kodieren, die an der Produktion essentieller Nährstoffe und der Synthese der die Bakterien umgebenden Zellwand beteiligt sind, „passen zu Dingen, die in den Symbionten fehlen ", Sagte McCutcheon. "Diese [Organismen] werden nicht klein, indem sie Gene auf den Wirt übertragen", sagte er. "Sie werden klein, indem sie Bakteriengene im Wirt coopieren, eine Komplexität, die wir nicht vorhergesagt hätten."

Die Ergebnisse liefern ein detaillierteres Verständnis der Unterschiede und Ähnlichkeiten der Symbionten mit Organellen. Tremblayah hat keine Gene auf seinen Wirt übertragen, eine definierende Eigenschaft von Organellen. Aber wie die Mitochondrien, so die Ergebnisse von McCutcheon, kooptiert Tremblaya einige vom Wirt stammende Proteine, die ursprünglich von anderen Arten von Bakterien stammten. „Dies ist eine trübe Grauzone; Der Wirt codiert Gene, die der Symbiont zum Überleben benötigt, was darauf hindeutet, dass die Wirte Proteine auf den Organismus ausrichten “, sagte Patrick Keeling, Biologe an der University of British Columbia, der nicht an der Zellstudie beteiligt war. "Das ist etwas, was Organellen tun, aber normalerweise keine Endosymbionten."

Nicht alle sind sich einig, dass das Verständnis von Tremblaya dazu beitragen kann, die Entwicklung der Organellen zu beleuchten. William Martin, Biologe an der Universität Düsseldorf in Deutschland, schrieb in einer E-Mail, dass Tremblaya stattdessen „ein schöner Kontrast zu Organellen“sei. Er stellte zum Beispiel fest, dass Organellen die überwiegende Mehrheit der Proteine aus dem Wirt importieren. Tremblaya scheint auch einige Proteine zu importieren, aber "es ist weit entfernt vom Proteinimportapparat von Chloroplasten und Mitochondrien", schrieb er.

Auch wenn Tremblaya nicht alle Anforderungen einer Organelle erfüllt, scheint das Bakterium auf ähnliche Weise wie Organellen in seinen Wirt integriert zu sein.

"Sie scheinen auf mehr Ebenen stärker integriert zu sein als jeder andere Endosymbiont und sie teilen diese Eigenschaft mit Organellen", sagte Keeling, der hinzufügte, dass die Frage, wie man Tremblaya und andere winzige intrazelluläre Bewohner nennt, "das Blut einiger Menschen zum Kochen bringen kann". (Er sagte, es sei ihm persönlich egal, wie Tremblaya heißt.)

Obwohl es sich auf einer bestimmten Ebene um eine Frage der Semantik handelt, berührt die Debatte auch die tiefere Frage, was es bedeutet, am Leben zu sein.

Die von Keeling untersuchten intrazellulären Parasiten, die ebenfalls ein reduziertes Genom aufweisen und nicht in der Lage sind, ihre eigene Energiequelle zu produzieren oder ohne ihre Wirte zu überleben, werden typischerweise als Organismen angesehen. "Aber niemand bezeichnet Mitochondrien als einen Organismus, weil er so in seinen Wirt integriert ist", sagte er.

Der Unterschied besteht darin, dass Keelings Parasiten ihren Wirten Energie in Form eines Moleküls namens Adenosintriphosphat oder ATP stehlen, aber sie besitzen die notwendigen Gene, um DNA zu replizieren. Eine Organelle hingegen ist auf Proteine angewiesen, die vom Wirt bereitgestellt werden, um ihre DNA zu replizieren. "Wir haben willkürlich entschieden, dass das Stehlen von ATP von einem Wirt einen Organismus darstellt und das Stehlen von Proteinen nicht", sagte Keeling. "Es ist wirklich nur eine Frage der Grade."

Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Simons Science News, einer redaktionell unabhängigen Abteilung von SimonsFoundation.org, deren Aufgabe es ist, das Verständnis der Öffentlichkeit für die Wissenschaft zu verbessern, indem Forschungsentwicklungen und -trends in den Bereichen Mathematik sowie Computer-, Physik- und Biowissenschaften behandelt werden.