Микроб с наименьшим геномом, но раздвигает границы жизни

Симбиотический бактерии живущие внутри клеток насекомых, имеют самые маленькие геномы, известные для любого организма. Выводы далее мутное различие между клеточными органеллами как митохондрии и самые простые микробы в природе.

«Где именно заканчивается этот высокоинтегрированный симбионт и начинается органелла, я думаю, сказать очень сложно», — говорит Петр Лукасик в Ягеллонском университете в Кракове, Польша. «Это очень размытая граница».

Цыганки — это насекомые, которые полностью питаются соком растений и дополняют свое питание благодаря древним связям с симбиотическими бактериями. За многие миллионы лет эти микробы эволюционировали, чтобы жить внутри специализированных клеток в брюшке цикадки, производя питательные вещества, которые цикадки не могут получить из своей сладкой диеты. Многие из этих бактерий полностью зависят от своих хозяев, и их генетический инструментарий ухудшился до доли размера их предков.

Лукасик и его коллеги интересовались эволюцией взаимоотношений между бактериями и насекомыми и тем, насколько маленькими могут стать эти бактериальные геномы. Команда отобрала образцы 149 отдельных насекомых из 19 семейств цикадок и извлекла ДНК из тканей брюшной полости насекомых. Исследователи проанализировали и секвенировали ДНК, реконструировав геномы симбиотических бактерий. Видания и Сульсия.

Бактериальные геномы были исключительно крошечными. Длина генома может быть измерена количеством пар оснований, последовательностью парных «букв» в генетическом коде. Бактериальные геномы имели длину менее 181 000 пар оснований. Для сравнения: длина генома человека составляет миллиарды пар оснований.

Некоторые из Видания геномы имели длину всего 50 000 пар оснований — наименьшую из известных форм жизни. Раньше самым маленьким был Насуиясимбиотическая бактерия, обитающая у родственников цикадок, называемых цикадками, размером чуть более 100 000 пар оснований.

При длине 50 000 пар оснований Видания геномы соответствуют масштабам вирусов, которые не считаются живыми: например, вирус, вызывающий Covid-19, имеет геном длиной около 30 000 пар оснований. Некоторые из Видания имеют всего около 60 генов, кодирующих белок, что является одним из самых низких показателей за всю историю наблюдений.

Бактерии развивались вместе со своими насекомыми-хозяевами около 263 миллионов лет, независимо развивая чрезвычайно маленькие размеры генома внутри двух разных групп цикадок. Одна из немногих вещей, которые делают эти бактерии, — это выработка аминокислоты фенилаланина, которая является химическим предшественником для создания и укрепления экзоскелета насекомых.

Лукасик и его команда считают, что массовая потеря генов может произойти, когда насекомые поедают новую пищу с питательными веществами, которые раньше поставлялись бактериями, или когда больше микробов проникает и берет на себя эту роль.

Сильно уменьшенные бактерии напоминают митохондрии и хлоропласты – производящие энергию органеллы внутри клеток животных и растений. произошли от древних бактерий. Симбиотические бактерии аналогичным образом обитают внутри клеток-хозяев и передаются из поколения в поколение.

«Органелла» — это всего лишь слово, поэтому я могу называть эти органеллы, если кто-то хочет включить их в определение», — говорит Нэнси Моран из Техасского университета в Остине, который не участвовал в исследовании. «Но остаются отличия от митохондрий или хлоропластов».

Митохондрии намного старше: они возникли 1,5 миллиарда лет назад или больше, а их геномы еще меньше – около 15 000 пар оснований.

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

Лукасик считает, что эти бактерии и митохондрии просто находятся в разных местах эволюционного «градиента зависимости» от своих хозяев. Он подозревает, что еще предстоит открыть еще более мелкие геномы симбиотов.