Polskie badania ujawniają granice życia komórkowego

Wiele gatunków owadów odżywia się pokarmem ubogim w niezbędne składniki, np. sokiem roślinnym, nektarem czy innymi substancjami praktycznie pozbawionymi aminokwasów i witamin. Ponieważ same nie potrafią zsyntetyzować wielu z nich, wchodzą we współpracę z bakteriami symbiotycznymi, które zamieszkują ich tkanki. Mikroorganizmy wykorzystują dostępne zasoby pokarmowe i energię gospodarza do produkcji brakujących aminokwasów i witamin, a w zamian zyskują stabilne i bezpieczne środowisko do życia i rozmnażania. W wielu przypadkach współzależność jest tak ścisła, że owad i jego bakterie funkcjonują niemal jak jeden organizm i nie mogą istnieć osobno.

Przykładem takiej długotrwałej współpracy są pluskwiaki z grupy piewików. Jak podkreślił w rozmowie z PAP jeden z autorów badania opisanego w „Nature Communications” (https://doi.org/10.1038/s41467-026-69238-x), dr hab. Piotr Łukasik z Wydziału Biologii UJ, to właśnie ta grupa owadów, mimo że stosunkowo słabo poznana, okazała się szczególnie interesująca z punktu widzenia badań nad symbiozami.

Piewiki - mistrzowie ekstremalnej symbiozy

- Piewiki to niewielkie pluskwiaki, do których należą między innymi cykady i skoczki. Występują na całym świecie, są bardzo różnorodne i mają duże znaczenie ekologiczne, a wiele gatunków uznawanych jest za szkodniki upraw, ponieważ niszczą tkanki roślin oraz przenoszą choroby - wyjaśnił dr Łukasik.

Zdecydowana większość piewików żywi się wyłącznie sokiem roślinnym. Taki pokarm zawiera dużo cukrów, ale jest ubogi w aminokwasy egzogenne, których zwierzęta nie są w stanie samodzielnie wytwarzać.

- Dlatego mogą funkcjonować tylko dzięki ścisłej symbiozie z wyspecjalizowanymi bakteriami, które są przekazywane z pokolenia na pokolenie i od setek milionów lat zasiedlają ich tkanki. Już wspólny przodek wszystkich piewików, żyjący ponad 300 milionów lat temu, posiadał takie symbionty. Z analiz filogenetycznych wiemy, że ewolucja symbiontów była ściśle powiązana z ewolucją gospodarzy - podkreślił biolog.

Długi czas ścisłej współpracy spowodował, że oba organizmy stały się od siebie całkowicie zależne: podczas gdy owady polegają na substancjach odżywczych dostarczanych przez bakterie, symbionty wymagają do życia stabilnego środowiska wewnątrzkomórkowego i licznych białek i związków dostarczanych przez gospodarza. Związane jest to z daleko posuniętą redukcją genomów symbiontów, które utraciły większość genów i funkcji niezbędnych do samodzielnego życia.

- Ewolucja w tych systemach działa bardzo ekonomicznie - jeśli coś nie jest niezbędne, to prędzej czy później zostaje usunięte - podsumował dr Łukasik.

Organizmy na granicy życia

Naukowcy od dawna byli świadomi istnienia takiego zjawiska. Jednak opisywane do tej pory genomy symbiotycznych bakterii, choć zredukowane, zachowywały pewien ograniczony, stabilny zestaw genów i funkcji. Dopiero teraz polscy badacze dowiedli, że w niektórych liniach rozwojowych piewików doszło do tak ekstremalnej redukcji genomów, że zakres ich funkcji biologicznych został sprowadzony do absolutnego minimum.

Najciekawsza sytuacja dotyczyła genomu bakterii symbiotycznej Candidatus Vidania fulgoroidea. Badacze odkryli, że w niektórych przypadkach liczy on zaledwie 50-52 tys. par zasad DNA i nieco ponad 60 genów kodujących białka.

- Wolno żyjące bakterie, aby funkcjonować, potrzebują generalnie ponad tysiąc genów. Symbionty mogą ich mieć nieco mniej, ale nawet u tych silnie zredukowanych jest to zazwyczaj ok. 150 genów. Tutaj mamy do czynienia z niewiele ponad 1/3 tego stanu. To najmniejsze bakteryjne genomy, jakie opisano, nie licząc organelli komórkowych - podkreślił dr Łukasik.

Organelle, czyli mitochondria i plastydy, wywodzą się od wolno żyjących bakterii, które ok. dwa miliardy lat temu skolonizowały komórki gospodarza i z czasem uległy daleko posuniętej integracji.

- Pamiętamy z lekcji biologii, że mitochondria są obecnie integralnym elementem ludzkich komórek i rzadko myślimy o nich jako o dawnych, odrębnych bytach. Mimo to organelle te zachowały własne, niezależne genomy. Co ciekawe, mitochondria wielu organizmów, zwłaszcza protistów, mają większe genomy niż najmniejsze opisane przez nas symbionty piewików. Także genomy chloroplastów u większości roślin składają się ze 100-150 tys. par zasad, czyli znacznie więcej w przypadku tych symbiontów. Tak skrajne uproszczenie sprawia, że opisane przez nas symbionty znajdują się pod względem wielkości i zakresu funkcji pomiędzy bakteriami a organellami komórkowymi - dodał.

Ekspert wyjaśnił, że tak daleko posunięta redukcja jest wynikiem wyjątkowej kombinacji różnych zdarzeń ewolucyjnych. Np. w jednej z linii piewików do najstarszych symbiontów dołączyły kolejne mikroorganizmy, które przejęły większą część już na starcie bardzo ograniczonego zestawu funkcji Vidania. Z kolei inna grupa piewików przestawiła się na odżywianie materiałem grzybowym, bardziej urozmaiconym pod względem odżywczym, co spowodowało utratę zdolności do produkcji większości aminokwasów przez symbionty. - Co ciekawe, tak różne procesy w dwóch grupach piewików doprowadziły do niezależnej ewolucji bardzo podobnych do siebie, ekstremalnie zredukowanych genomów - zaznaczył dr Łukasik.

Przypomniał również, że tak duże uproszczenie genomu jest równoznaczne z utratą zdolności do prowadzenia większości procesów metabolicznych. W najbardziej ekstremalnych przypadkach Vidania zachowała jedynie fragmenty szlaków biochemicznych i zdolność do produkcji tylko jednego aminokwasu - fenyloalaniny. Jest to jednak substancja kluczowa dla gospodarza, ponieważ jest prekursorem tyrozyny, niezbędnej do budowy i utwardzania oskórka. - Bez niej owady nie byłyby w stanie prawidłowo się rozwijać ani funkcjonować w środowisku - wytłumaczył specjalista z UJ.

Jego zdaniem można więc powiedzieć, że odkryte bakterie przestały być w pełni samodzielnymi organizmami, a stały się wyspecjalizowanym elementem większego systemu. Rodzi to fundamentalne pytania o definicję organizmu i autonomii.

- Zaczynamy się zastanawiać, jaki jest minimalny zestaw genów potrzebny do życia i jakie w ogóle są granice życia. Staje się to zagadnieniem już nie tylko biologicznym, ale wręcz filozoficznym - stwierdził dr Łukasik.

Od badań podstawowych do praktyki

Autor zaznaczył, że choć omawiane badania mają charakter podstawowy, mogą znaleźć praktyczne zastosowania, np. w medycynie i rolnictwie. Lepsze poznanie mechanizmów integracji między komórką a symbiontem może pomóc w zrozumieniu funkcjonowania naszych własnych organelli, co ma kluczowe znaczenie w badaniach nad chorobami mitochondrialnymi.

Z kolei w dziedzinie ochrony roślin wiedza ta może pozwolić na tworzenie precyzyjnych metod eliminacji szkodników upraw. Zamiast stosowania toksycznych środków o szerokim spektrum działania, możliwe byłoby punktowe zaburzenie tylko jednej, krytycznej relacji biologicznej u konkretnego gatunku, co byłoby rozwiązaniem bezpiecznym dla reszty ekosystemu.

Poznanie mechanizmów skrajnej redukcji genomu ma również istotne znaczenie dla studiowania początków życia na Ziemi i poszukiwania go poza naszą planetą. Pokazuje bowiem, że życie może funkcjonować w formach znacznie prostszych niż wcześniej sądzono.

Obecnie zespół z Krakowa kontynuuje prace nad najbardziej skomplikowanymi przypadkami fragmentacji genomów. - Te bardzo nietypowe i wciąż słabo poznane systemy symbiotyczne piewików, który badamy, dają wgląd w podstawowe procesy biologiczne stojące u podstaw życia, w tym w mechanizmy prowadzące do powstania funkcji organelli komórkowych - podsumował.

Autorami publikacji „Convergent extreme reductive evolution in ancient planthopper symbioses” są: dr hab. Anna Michalik, dr hab. Piotr Łukasik, dr Diego Castillo Franco, dr Junchen Deng i Monika Prus-Frankowska z Wydziału Biologii UJ oraz dr Adam Stroiński z Muzeum i Instytutu Zoologii PAN.

Katarzyna Czechowicz (PAP)

kap/ zan/