Skip to main content

Exploring the mechanisms underlying the evolution of plastids through the study of an unusual nitrogen-fixing symbiosis

Article Category

Article available in the folowing languages:

Odkrywanie ewolucji mikroskopijnej morskiej symbiozy

Choć symbiozy słyną z tego, że w sposób naturalny sprzyjają powstawaniu innowacji, mechanizmy leżące u podstaw tego rodzaju relacji nie są jasne. Niedawno odkryta symbioza oceaniczna pomiędzy jednokomórkowymi cyjanobakteriami a eukariotycznymi algami ujawnia pewne informacje na temat ich ewolucyjnej przeszłości i możliwej przyszłości.

Badania podstawowe

Według Lynn Margulis symbioza to najsilniejsza siła ewolucyjna i źródło całej złożoności życia na Ziemi. Dlatego też zrozumienie, w jaki sposób powstają relacje symbiotyczne i jak się rozwijają, jest kluczowe dla zrozumienia przyrody i samego życia. Twórcy finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu UCYN2PLAST skoncentrowali się na symbiotycznej współpracy, którą odkryto zaledwie dziesięć lat temu – współpracy pomiędzy jednokomórkową cyjanobakterią, UCYN-A, a jednokomórkową eukariotyczną mikroalgą, Prymnesiophyta. „Interakcje pomiędzy tymi dwoma gatunkami są tak ścisłe, że organizmy te zdają się łączyć w jeden gatunek”, wyjaśnia badacz Francisco M. Cornejo Castillo. „To rzadki współczesny przykład symbiozy przekształcającej się w coś innego: plastyd”. Plastydy to otoczone błoną organella występujące we wszystkich komórkach eukariotycznych, zarówno roślinnych, jak i zwierzęcych; pełnią one kluczowe funkcje metaboliczne. W ramach projektu dogłębnie zbadano symbiozę UCYN-A, która była wcześniej dostępna. Wpływała ona na różnorodność organizmu oraz jego rozpowszechnienie w oceanie, a także mechanizmy biorące udział w komunikacji pomiędzy dwoma partnerami i wymianę substancji chemicznych.

Wizualizacja symbiozy

Stypendium w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie” umożliwiło Cornejo spędzenie blisko trzech lat na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz w laboratorium Jonathana Zehra, odkrywcy symbiozy UCYN-A. Podczas prac Cornejo koncentrował się na różnych aspektach tej symbiozy, stosując szereg technik laboratoryjnych i obliczeniowych, by poznać lepiej jej ekologię i fizjologię. Wykorzystywał między innymi genomikę pojedynczych komórek, mikroskopię epifluorescencyjną, PCR ilościowe oraz wysokowydajne sekwencjonowanie DNA. Łącząc różne metodologie, zespół projektu zwizualizował symbiozę UCYN-A w naturalnych próbkach pozyskanych z różnych regionów oceanu. Kluczowym celem było zdobycie nowej wiedzy na temat kanałów i substancji chemicznych uczestniczących w komunikacji pomiędzy gospodarzem a symbiontem. Wykorzystując specjalnie zaprojektowane sondy, zespół zwizualizował zsynchronizowaną ekspresję białek pomiędzy partnerami symbiozy, wskazując, że zachodzi tu chemiczna „rozmowa”. „To było prawdziwe osiągnięcie techniczne. Nigdy nie zapomnę podekscytowania, jakie czułem, kiedy po raz pierwszy byłem w stanie naprawdę posłuchać tej »rozmowy«”, zauważa Cornejo.

Najważniejsze wnioski powiązane ze zmianą substancji odżywczej

Wcześniejsze eksperymenty realizowane przez Zehr Laboratory wykazały, że mikroalga-gospodarz symbionta UCYN-A nie była szczególnie zainteresowana wchłanianiem substancji odżywczych, szczególnie azotanów i amonu, tak jak to robią typowe algi. W trakcie realizacji projektu UCYN2PLAST zespół odkrył, że białka biorące udział we wchłanianiu substancji odżywczych ze środowiska znajdują się w innej części komórki w porównaniu z innymi gatunkami alg. Białka te były zwrócone w kierunku UCYN-A, czyli do środka komórki algi, nie zaś na zewnątrz, co jest typowe dla innych gatunków. „Wygląda na to, że mikroalga-gospodarz wie, że UCYN-A jest w stanie zapewnić te substancje odżywcze, nie musi więc mieć białek zwróconych w tym samym kierunku co inne algi konkurujące z innymi mikroorganizmami”, dodaje Cornejo.

Laboratorium natury

UCYN-A nie przejawia typowych cech innych procesów cyjanobakteryjnych, takich jak fotosynteza tlenowa czy wiązanie cząsteczek CO2, pozyskuje je więc z materii organicznej zapewnianej przez algę. W zamian za to oferuje gospodarzowi źródło azotu. Jako że produktywność algi jest zależna od azotu, sugerowano, że – ta symbiotyczna relacja mogłaby ostatecznie zaowocować powstaniem plastydu wiążącego cząsteczki azotu w procesie podobnym do powstawania chloroplastów. „Dalsze badania rzucą nowe światło na procesy symbiotyczne w przeszłości, których nie da się przeanalizować w inny sposób. Dodatkowo, jako że symbioza stanowi nieskończone źródło biologicznych innowacji, może również znaleźć zastosowanie w biotechnologii. W przyszłości UCYN-A może pomóc nam wytwarzać plastydy w roślinach pełniące funkcję ekologicznego nawozu”, zauważa Cornejo.

Słowa kluczowe

UCYN2PLAST, symbioza, komórki eukariotyczne, plastyd, UCYN-A, białko, algi, cyjanobakteria, genomika, DNA, symbiotyczny, ocean

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania