Nature: микроорганизм с самым маленьким геномом раздвигает границы жизни

Фото из открытых источников

Симбиотические бактерии, живущие внутри клеток насекомых, имеют самые маленькие геномы, известные для любого организма. Эти открытия еще больше размывают различие между клеточными органеллами, такими как митохондрии, и самыми примитивными микробами в природе. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

«Точно определить, где заканчивается этот высокоинтегрированный симбионт и начинается органелла, я думаю, очень сложно», — говорит Пётр Лукасик из Ягеллонского университета в Кракове, Польша. «Это очень размытая граница».

Цикадки — это насекомые, которые питаются исключительно растительным соком и дополняют свое питание благодаря древним взаимоотношениям с симбиотическими бактериями. На протяжении многих миллионов лет эти микробы эволюционировали, чтобы жить внутри специализированных клеток в брюшке цикадок, производя питательные вещества, которые цикадки не могут получить из своей сладкой пищи. Многие из этих бактерий полностью зависят от своих хозяев и допустили деградацию своего генетического набора до доли от размеров своих предков.

Лукасик и его коллеги интересовались эволюцией этих взаимоотношений бактерий и насекомых и тем, насколько маленькими могут быть эти бактериальные геномы. Команда исследовала 149 отдельных насекомых из 19 семейств цикадок, извлекая ДНК из тканей брюшка насекомых. Исследователи проанализировали и секвенировали ДНК, реконструировав геномы симбиотических бактерий Vidania и Sulcia.

Бактериальные геномы оказались исключительно крошечными. Длина генома измеряется в количестве пар оснований, последовательности парных «букв» в генетическом коде. Длина бактериальных геномов составляла менее 181 000 пар оснований. Для сравнения, геном человека состоит из миллиардов пар оснований.

Некоторые геномы Vidania имели длину всего 50 000 пар оснований, что является самым маленьким из известных геномов живых организмов. Ранее самым маленьким был геном Nasuia, симбиотической бактерии, обитающей в организмах цикадок, родственных им, — его длина составляла чуть более 100 000 пар оснований.

Геномы Vidania, достигающие 50 000 пар оснований, сопоставимы с геномами вирусов, которые не считаются живыми организмами: например, геном вируса COVID-19 имеет длину около 30 000 пар оснований. Некоторые из Vidania содержат всего около 60 генов, кодирующих белки, что является одним из самых низких показателей за всю историю наблюдений.

Эти бактерии эволюционировали вместе со своими насекомыми-хозяевами около 263 миллионов лет, независимо друг от друга достигая чрезвычайно малых размеров геномов в двух разных группах цикадок. Одна из немногих функций этих бактерий — производство аминокислоты фенилаланина, которая является химическим предшественником для создания и укрепления экзоскелетов насекомых.

Лукасик и его команда считают, что массовая потеря генов может происходить, когда насекомые начинают питаться новой пищей, содержащей питательные вещества, которые раньше поставлялись бактериями, или когда в организм заселяют новые микроорганизмы, беря на себя эти функции.

Сильно редуцированные бактерии напоминают митохондрии и хлоропласты — энергопроизводящие органеллы внутри клеток животных и растений, произошедшие от древних бактерий. Симбиотические бактерии также обитают внутри клеток-хозяев и передаются из поколения в поколение.

«„Органелла“ — это просто слово, поэтому я могу называть эти бактерии органеллами, если кто-то захочет включить их в определение», — говорит Нэнси Моран из Техасского университета в Остине, которая не участвовала в исследовании. «Но всё же есть различия с митохондриями или хлоропластами».

Митохондрии намного старше, они возникли 1,5 миллиарда лет назад или даже раньше, и их геномы ещё меньше — около 15 000 пар оснований.

«Эти симбионты живут только в специализированных клетках-хозяевах, а не в большинстве клеток организма, как это наблюдается в митохондриях и хлоропластах», — говорит Моран.

Лукасик считает, что эти бактерии и митохондрии просто находятся на разных этапах эволюционного «градиента зависимости» от своих хозяев. Он предполагает, что ещё более крошечные геномы симбионтов ещё предстоит обнаружить.