Μικρόβιο με το μικρότερο γονιδίωμα μέχρι σήμερα ωθεί τα όρια της ζωής
Συμβιωτικά βακτήρια που ζουν μέσα σε κύτταρα εντόμων διαθέτουν τα μικρότερα γνωστά γονιδιώματα για οποιονδήποτε οργανισμό. Τα ευρήματα θολώνουν περαιτέρω τη διάκριση μεταξύ κυτταρικών οργανιδίων, όπως τα μιτοχόνδρια, και των πιο βασικών μικροβίων στη φύση.
«Ακριβώς πού τελειώνει αυτός ο υψηλά ενσωματωμένος συμβιωτής και πού αρχίζει ένα οργανίδιο, νομίζω ότι είναι πολύ δύσκολο να ειπωθεί», λέει ο Piotr Łukasik στο Πανεπιστήμιο Jagiellonian στην Κρακοβία της Πολωνίας. «Αυτό είναι ένα πολύ θολό όριο».
Οι φυλλοσυριγγίδες (planthoppers) είναι έντομα που τρέφονται αποκλειστικά με χυμό φυτών και συμπληρώνουν τη διατροφή τους χάρη σε μια αρχαία σχέση με συμβιωτικά βακτήρια. Εκατομμύρια χρόνια, αυτοί οι μικροοργανισμοί εξελίχθηκαν για να ζουν μέσα σε εξειδικευμένα κύτταρα στις κοιλιές των φυλλοσυριγγιδών, παράγοντας θρεπτικά συστατικά που οι φυλλοσυριγγίδες δεν μπορούν να λάβουν από τη ζαχαρούχα διατροφή τους. Πολλά από αυτά τα βακτήρια εξαρτώνται πλήρως από τους ξενιστές τους και έχουν αφήσει τα γενετικά τους κιτ εργαλείων να αχρηστευτούν σε ένα κλάσμα του προγονικού τους μεγέθους.
Ο Łukasik και οι συνάδελφοί του ενδιαφέρθηκαν για την εξέλιξη αυτής της σχέσης βακτηρίου-εντόμου και για το πόσο μικρά μπορούσαν να γίνουν αυτά τα βακτηριακά γονιδιώματα. Η ομάδα έλαβε δείγματα από 149 μεμονωμένα έντομα από 19 οικογένειες φυλλοσυριγγιδών, εξάγοντας DNA από τους κοιλιακούς ιστούς των εντόμων. Οι ερευνητές ανέλυσαν και ακολουθήσαν αλληλουχίες DNA, ανακατασκευάζοντας τα γονιδιώματα των συμβιωτικών βακτηρίων Vidania και Sulcia.
Τα βακτηριακά γονιδιώματα ήταν εξαιρετικά μικρά. Το μήκος του γονιδιώματος μπορεί να μετρηθεί σε αριθμό ζευγών βάσεων, την αλληλουχία ζευγαρωτών «γραμμάτων» στον γενετικό κώδικα. Τα βακτηριακά γονιδιώματα είχαν μήκος μικρότερο από 181.000 ζεύγη βάσεων. Συγκριτικά, το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων.
Ορισμένα από τα γονιδιώματα Vidania είχαν μόλις 50.000 ζεύγη βάσεων, τα μικρότερα γνωστά για οποιαδήποτε μορφή ζωής. Παλαιότερα, το μικρότερο ήταν το Nasuia, ένα συμβιωτικό βακτήριο που φιλοξενείται από συγγενείς των φυλλοσυριγγιδών, τους φυλλοβόρους (leafhoppers), με μήκος λίγο πάνω από 100.000 ζεύγη βάσεων.
Στα 50.000 ζεύγη βάσεων, τα γονιδιώματα Vidania έχουν την κλίμακα εκείνων που βρίσκονται σε ιούς, οι οποίοι δεν θεωρούνται ζωντανοί: ο ιός πίσω από τον covid-19 έχει γονιδίωμα περίπου 30.000 ζεύγη βάσεων, για παράδειγμα. Κάποια από τα Vidania έχουν μόνο περίπου 60 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, από τους χαμηλότερους αριθμούς που έχουν καταγραφεί.
Τα βακτήρια εξελίσσονται με τους εντόμους ξενιστές τους εδώ και περίπου 263 εκατομμύρια χρόνια, εξελίσσοντας ανεξάρτητα εξαιρετικά μικρά μεγέθη γονιδιώματος σε δύο διαφορετικές ομάδες φυλλοσυριγγιδών. Ένα από τα λίγα πράγματα που κάνουν αυτά τα βακτήρια είναι η παραγωγή του αμινοξέος φαινυλαλανίνη, το οποίο είναι χημικό πρόδρομο για την κατασκευή και την ενίσχυση του εξωσκελετού των εντόμων.
Ο Łukasik και η ομάδα του πιστεύουν ότι η τεράστια απώλεια γονιδίων μπορεί να συμβαίνει όταν τα έντομα τρώνε νέες τροφές με θρεπτικά συστατικά που παλαιότερα παρείχαν τα βακτήρια, ή όταν περισσότεροι μικροοργανισμοί μετακινούνται και αναλαμβάνουν αυτούς τους ρόλους.
Τα ιδιαίτερα μειωμένα βακτήρια θυμίζουν μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες – οργανίδια παραγωγής ενέργειας στα κύτταρα ζώων και φυτών που προέρχονται από αρχαία βακτήρια. Τα συμβιωτικά βακτήρια παρόμοια κατοικούν εντός των κυττάρων του ξενιστή και μεταβιβάζονται μεταξύ των γενεών.
«”Οργανίδιο” είναι απλώς μια λέξη, οπότε είναι εντάξει για μένα να τα ονομάζω οργανίδια αν κάποιος θέλει να τα συμπεριλάβει στον ορισμό», λέει η Nancy Moran στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, η οποία δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Αλλά παραμένουν διαφορές από τα μιτοχόνδρια ή τους χλωροπλάστες.»
Τα μιτοχόνδρια είναι πολύ παλαιότερα, έχοντας εμφανιστεί πριν από 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια ή περισσότερο, και τα γονιδιώματά τους είναι ακόμη μικρότερα – περίπου 15.000 ζεύγη βάσεων.
«Αυτοί οι συμβιωτές ζουν μόνο σε εξειδικευμένα κύτταρα του ξενιστή, όχι στα περισσότερα κύτταρα σε ολόκληρο τον οργανισμό, όπως παρατηρείται στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες», λέει η Moran.
Ο Łukasik θεωρεί αυτά τα βακτήρια και τα μιτοχόνδρια απλώς ότι βρίσκονται σε διαφορετικές θέσεις σε μια εξελικτική «κλίμακα εξάρτησης» από τους ξενιστές τους. Υποψιάζεται ότι ακόμη μικρότερα γονιδιώματα συμβιωτών δεν έχουν ακόμη ανακαλυφθεί.