Биология

Хлоропласт или жизнь: как амеба обокрала бактерию

История фотосинтетической кражи, обнаруженной век назад
Модель хоропласта

Модель хоропласта

Wikimedia Commons

Около 100 миллионов лет назад неприметная амеба провернула грандиозное ограбление ничего не подозревающей бактерии, прибрав к своим ложноножкам полезные гены, чтобы возместить утраченные.

Ученые из Германии и США выяснили, как амеба Paulinella chromatophora украла хлоропласты, и опубликовали в PNAS отчет об обстоятельствах этого преступления. По словам исследователей, их работа проливает свет на тайны гибкости и «текучести» микробных геномов.

Скелеты цианобактерий в шкафу

Наша планета покрыта зеленью, а атмосфера насыщена кислородом, и за это мы должны поблагодарить растения и другие фотосинтезирующие организмы. Способность к фотосинтезу развилась у части эукариот, организмов с ядром, после поглощения их предком древней клетки цианобактерии, которая там прижилась и деградировала до хлоропласта — пластиды с хлорофиллом, который и отражает зеленые лучи, окрашивая листья и другие фотосинтезирующие части в привычные нам цвета.

Теперь, спустя 1,5 миллиарда лет, пластиды — это органеллы («органы» клеток), которые содержат свою собственную ДНК, самостоятельно размножаются внутри клеток, но даже не помышляют о былой свободе (такая ситуация по-научному называется эндосимбиозом), а покорно служат эволюционному успеху растений, а вслед за ними и животных. И мало кто вспоминает, что этот успех основан на древнем «грабеже».

Теория эндосимбиоза имеет интересную научную историю. В 1895 году немецкий натуралист Роберт Лаутерборн посвятил научную работу открытой им амебе Paulinella chromatophora. То, что он нашел, оказалось уликой: внутри амебы было два объекта, похожих на хлоропласты, что позволяло ей фотосинтезировать. Лаутерборн предположил, что в основе данного явления лежит заглатывание другой клетки и их симбиоз.

Но после этого подозреваемая скрылась: на протяжении почти сотни лет ученые не могли культивировать амебу или найти ее в природе. Теория эндосимбиоза была признана для растений, но с полинеллой все было неясно: ее ближайшие родственницы не имели такого наследства, а значит, кража произошла не так давно по эволюционным меркам. И лишь 20 лет назад на след беглянки напал Михаэль Мелкониан из университета Кельна. С ним работал Дебашиш Бхаттачария, соавтор нынешнего исследования и профессор Ратгерского университета.

Преступление эона: повтор «на бис»

Эта амеба «заглотила» цианобактерию около 100 миллионов лет назад, а значит, она могла «рассказать» о ранней эволюции растений. И вот ученые из Стэнфорда, Университета Кельна и Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе наконец смогли заняться изучением этого вопроса.

«Поразительно, что статья, опубликованная в научном журнале 120 лет назад, легла в основу настоящего исследования, — сообщает Дебашиш Бхаттачария. — То, что вид, который так сложно найти и культивировать, сыграл столь важную роль в понимании фундаментальных процессов в клетках — большая редкость».

Ученые сфокусировались на эффекте «храповика Мёллера». Так называется накопление вредных мутаций при бесполом размножении, когда не происходит «перемешивание» генов от разных родителей. Согласно этому эффекту в геноме должны происходить необратимые изменения, препятствующие выживанию, если организм не нашел способ обмениваться генами как-то еще. Было непонятно, как порабощенным хлоропластам, которые не скрещиваются между собой, удается не деградировать окончательно. Маленькие затворники стали внушать подозрения: уж не перекидывают ли им «посылки через забор» амебной мембраны?

Оказалось, что уйти от угрожающих зубьев храповика бывшим цианобактериям удалось благодаря помощи... амебы. Преступница предложила им «подельничество» в обмен на «долю»: каждый раз, когда хлоропласты теряли необходимые гены, она захватывала новую, «плохо лежащую» где-нибудь поблизости ДНК, которой можно заместить пропажу.

«В этом случае эволюция находит выход, решая проблему «сломанных» генов с помощью захвата новых, замещающих их генов из окружающей среды, — поясняет Бхаттачария. — Кто знает, может, потомки этой амебы через 100 миллионов лет будут самыми преуспевающими растениями на Земле».