Хлоропласт или жизнь: как амеба обокрала бактерию

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».