Ученые воссоздали условия, в которых зародилась сложная жизнь

Большинство одноклеточных микробов далеко не одиночки, а находятся в сложных взаимоотношениях. В океане, в почве, в вашем кишечнике они могут сражаться и поедать друг друга, обмениваться ДНК, конкурировать за питательные вещества или питаться побочными продуктами друг друга. Иногда их отношения становятся еще более интимными: Одна клетка может проскользнуть внутрь другой и удобно там устроиться. При благоприятных условиях она может остаться и стать желанной гостьей, завязывая отношения, которые могут длиться поколениями или миллиардами лет. Это явление, когда одна клетка живет внутри другой, называется эндосимбиозом и послужило толчком к эволюции сложной жизни.

Примеры эндосимбиоза встречаются повсюду. Митохондрии, энергетические фабрики в ваших клетках, когда-то были свободно живущими бактериями. Фотосинтезирующие растения обязаны своими сахарами, получаемыми от солнца, хлоропласту, который также изначально был самостоятельным организмом. Многие насекомые получают необходимые питательные вещества от бактерий, живущих внутри них. А в прошлом году исследователи открыли «нитропласт» - эндосимбионт, помогающий некоторым водорослям перерабатывать азот.

Многое в жизни зависит от эндосимбиотических отношений, но ученые изо всех сил пытаются понять, как они возникают. Как проникшая внутрь клетка избегает переваривания? Как она учится размножаться внутри своего хозяина? Что превращает случайное слияние двух независимых организмов в стабильное и долговременное партнерство?

Теперь исследователи впервые увидели начальную стадию этого микроскопического танца, вызвав эндосимбиоз в лаборатории. Введя бактерии в гриб - процесс, потребовавший творческого подхода к решению проблемы (и велосипедного насоса), — исследователи сумели вызвать сотрудничество, не убив ни бактерии, ни хозяина. Их наблюдения позволяют взглянуть на условия, при которых то же самое может произойти в микробной природе.

Клетки даже приспособились друг к другу быстрее, чем предполагалось. «Для меня это означает, что организмы хотят жить вместе, и симбиоз — это норма», — говорит Василис Коккорис, миколог, изучающий клеточную биологию симбиоза в Университете VU в Амстердаме и не принимавший участия в новом исследовании. «Так что это большая, большая новость для меня и для всего мира».

Первые неудачные попытки показывают, что большинство любовных отношений между клетками оказываются неудачными. Но, поняв, как, почему и когда организмы принимают эндосимбионтов, исследователи смогут лучше понять ключевые моменты эволюции, а также потенциально разработать синтетические клетки, оснащенные супермощными эндосимбионтами.

Прорыв в области клеточных стенок

Джулия Ворхольт, микробиолог из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (Швейцария), долго ломала голову над обстоятельствами эндосимбиоза. Исследователи в этой области предполагали, что, как только бактерия проникает в клетку хозяина, отношения с ней находятся на грани между инфекцией и гармонией. Если бактерия размножается слишком быстро, она рискует истощить ресурсы хозяина и вызвать иммунный ответ, что приведет к гибели гостя, хозяина или обоих. Если же она будет размножаться слишком медленно, то не сможет закрепиться в клетке. По их мнению, только в редких случаях бактерия достигает «золотой середины» скорости размножения. Тогда, чтобы стать настоящим эндосимбионтом, она должна внедриться в репродуктивный цикл хозяина и перебраться в следующее поколение. Наконец, геном хозяина должен мутировать, чтобы приспособиться к бактерии, что позволит им развиваться как единое целое.

«Они становятся зависимыми друг от друга», — говорит Ворхольт.

Эти идеи имели логический смысл, но никто никогда не наблюдал ранних этапов микробного эндосимбиоза. Поэтому Ворхольт решила попробовать осуществить это в лаборатории. Вместо того чтобы заново изобретать колесо эндосимбиоза, она решила, что у ее команды будет больше шансов, если она воссоздаст партнерство, которое уже имело место в природе.

Фитофтороз рисовых всходов - это заболевание, вызванное токсичным побочным продуктом дикой эндосимбиотической связи. В какой-то момент своей эволюционной истории гриб Rhizopus microsporus принял бактерию Mycetohabitans rhizoxinica. Бактерия вырабатывает яд, который гриб использует для заражения растений риса; оба партнера получают выгоду, поглощая питательные вещества из мертвых и умирающих клеток растений. За несколько поколений пара настолько переплелась, что теперь гриб не может размножаться без своего эндосимбионта.

Однако существует штамм гриба, который живет без эндосимбионта. Ворхольт решила, что сможет использовать его для воссоздания ядовитого партнерства. Однако прежде чем приступить к более сложным этапам клеточного скрещивания, ее команде пришлось преодолеть базовое физическое ограничение: как физически протиснуть бактерию сквозь жесткую клеточную стенку гриба?

Габриэль Гигер, ведущий автор статьи и аспирант Ворхольта, начал с приготовления коктейля из ферментов для размягчения стенки. Затем он использовал атомно-силовой микроскоп, оснащенный технологией, известной как FluidFM, переделанный под крошечный шприц. Когда Гигер проколол грибковую клетку микроиглой, цитоплазма хлынула наружу, как вода из прорвавшейся плотины.

«У нас было так много обратного потока», - говорит Гигер. «[Клеточная жидкость] просто вытекает прямо на вас».

Ему нужно было что-то более мощное, чтобы противостоять внутриклеточному давлению и протолкнуть бактерии внутрь. Гигер сконструировал соединение между велосипедным насосом и микроскопом. Это сработало: Велосипедный насос увеличил давление и протолкнул бактерии через клеточную стенку в цитоплазму.

После экспериментов с различными величинами давления они усовершенствовали систему. «То, как они приспособили технологию для введения бактерий в гриб, очень и очень круто», - говорит Томас Ричардс, биолог-эволюционист, изучающий эндосимбиоз в Оксфордском университете и не принимавший участия в исследовании. «Чтобы протолкнуть бактерию внутрь, им пришлось использовать специальные заточенные иглы, а затем давление в шинах в три раза превысило давление в автомобильных шинах. Это большой технологический шаг вперед».

Сначала Гигер и Ворхольт ввели в гриб кишечную палочку, стандартный лабораторный бактериальный организм. Попав внутрь, кишечная палочка быстро размножалась, питаясь питательными веществами внутри клетки. Бактерии росли так быстро, что иммунная система грибка замечала их — и ловко запирала их для утилизации.

Затем исследователи перешли к M. rhizoxinica, бактерии, которая уже обосновалась в других штаммах R. microsporus. Оказавшись внутри, она делилась с приемлемой скоростью и избегала иммунного ответа. Самое главное, что ни один из партнеров не погиб. «Было очень интересно увидеть, что и грибок, и бактерия растут после инъекции», - говорит Гигер.

Поначалу пара приняла друг друга, но это был лишь первый шаг. Гигер терпеливо ждал, и вот в микроскоп он увидел то, что искал: Бактерии пробрались в споры грибов, чтобы перебраться в следующее поколение.

«Я должен был убедиться, что сигнал был настоящим, а пока этого не узнаешь, не можешь спать спокойно», - говорит он.

Гигер и его команда вручную отобрали споры и прорастили 10 последовательных поколений грибов. В каждом раунде репродукции выживало все больше бактерий, а споры становились все более здоровыми и эффективными. Впервые исследователи наблюдали, как эндосимбиотические микробы и микробы-хозяева приспосабливаются друг к другу. «Ни один из этих организмов не отравляет друг друга, а скорость их роста примерно соответствует спектру жизнеспособности обоих», - вспоминает Гигер. Бактерии выжили, защищаемые и питаемые грибком, а грибок избавился от ядовитого партнера.

Для подтверждения микробного партнерства лаборатория выделила обе стороны, чтобы проанализировать их геномы. Геном гриба уже получил мутации, чтобы приспособиться к бактериям. Очевидно, что такие отношения могут быстро стабилизироваться, заметили исследователи. Вскоре оба вида уже не могли жить друг без друга.

Установление правильного баланса

По словам Ричардса, воссоздавая естественные отношения, Ворхольт и Гигер «повторно прокрутили ленту эволюции», чтобы извлечь уроки о том, как происходит эндосимбиоз. Они пришли к выводу, что этот процесс не может происходить, если в любой момент адаптации происходит несоответствие между хозяином и эндосимбионтом. «Вероятно, именно это часто происходит в природе», - сказал Ворхольт. «Может быть, их начальные точки успешны, но почему-то отбор не происходит, или же это скорее издержки, чем выгода. И тогда вы просто теряете устойчивость системы, и она не стабилизируется».

Они также узнали, что в тех парах, которые работают, оба партнера адаптируются друг к другу - явление, которое до сих пор оставалось незамеченным. Не только бактерии приспосабливаются к новой среде, но и хозяин меняется, причем даже на ранних стадиях. «Это принципиально важный вопрос, который до сих пор игнорировался», - говорит Ричардс. «Это открывает двери для реальных достижений».

Несмотря на то, что эта пара бактерия-гриб - лишь один из примеров процесса, который может иметь множество механизмов или условий. «Я могу представить, что у протистов и других малоизученных групп мы найдем много новых схем поддержания симбиоза», - говорит Лайла Партида Мартинес, которая открыла эндосимбиоз проростков риса и сейчас является директором Cinvestav Irapuato, научно-исследовательского института растениеводства в Мексике.

Дальнейшие исследования различных эндосимбиотических систем позволят выяснить, какие условия применимы в целом, а какие характерны для определенных пар. В дальнейшем эти выводы могут привести к появлению нового вида синтетической биологии с эндосимбиотическими отношениями, выращенными в лаборатории, что может стать «увлекательным направлением для изучения биологических инноваций», - сказал Ворхольт.

Вместо того чтобы редактировать гены организмов для создания новых признаков, лаборатории могут создать бактерии, которые будут выполнять определенные функции, а затем подсаживать их к хозяевам. «В симбиотическую систему можно внести множество новых функций, если сделать это и заставить их развиваться вместе», - говорит Партида Мартинес. Вызывая эндосимбиоз, исследователи могут создать растения, способные метаболизировать загрязняющие вещества или производить лекарства. «Потребуется время, чтобы разработать и настроить системы», - добавила она.

Значит ли это, что в один прекрасный день мы сможем получить хлоропласты и стать фотосинтетиками? Гигер считает, что хлоропласту будет сложно стабилизироваться внутри клетки млекопитающего. Даже если бы это получилось, фотосинтез сам по себе не сможет обеспечить нас топливом - наши энергетические потребности слишком высоки. «Вы могли бы получить модную зеленую кожу и немного поработать на собственных фотоэлектрических батареях, но количество энергии, которое вы могли бы получать от солнца, было бы минимальным», - говорит он.