Ученые «воскресили» одного из древнейших предков человека

Биологи из Китая и США создали синтетическую бактерию, похожую по своим свойствам на предков митохондрий – главных "энергостанций" в клетках человека, других животных, а также грибов и растений.  Результаты опытов с ними были представлены в журнале PNAS.

"Эти искусственные организмы позволят нам проверить две ключевых теории, описывающих эволюцию жизни – переход из "мира РНК" в "мир ДНК", а также то, как появились предки многоклеточных животных. Они позволяют нам искать ответы на те эволюционные вопросы, которые в прошлом считались неразрешимыми", — заявил Питер Шульц (Peter Schultz) из Института Скриппса в Ла-Хойе (США).

Древнейший союз

По современным представлениям, эукариоты — сложные клетки с обособленным ядром и полным "набором" других органелл — появились в результате "ассимиляции" их предками различных бактерий и архей. Характерным примером этого процесса являются митохондрии — клеточные "энергетические станции", синтезирующие основную "энерговалюту" клеток – молекулы АТФ. 

Они отделены от остальной части клетки двойной мембраной, похожей на оболочку бактерии, а также обладают своей собственной ДНК и системой синтеза белков. Органы фотосинтеза растений и водорослей — хлоропласты — имеют аналогичную природу. "Приручение" митохондрий, как сегодня считают биологи, было ключевым шагом в эволюции наших одноклеточных предков. 

Так как митохондрии играют критически важную роль в жизни клеток и человека, и всех остальных эукариот, многие ученые сегодня считают, что это "приручение" произошло на самых первых этапах эволюции многоклеточных живых существ, еще до того, как разделились предки простейших, животных, грибов и растений.

Шульц и его коллеги создали первый "инструмент", который позволяет проверить, так ли это, и понять, как бактерии смогли проникнуть и выжить внутри клеток наших древнейших предков. Для этого они кардинально переработали ДНК обычной кишечной палочки, вставив в нее гены  синтеза АТФ и выбросив оттуда все "лишнее", а также сделав бактерию зависимой от поступления определенных нутриентов из клетки-"хозяина".

Клеточная взаимопомощь

В частности, эта синтетическая "митохондрия" не могла самостоятельно производить витамин В1, критически важный для выживания и размножения микробов, а также в ее геноме отсутствовал целый ряд других критически важных генов.

Вдобавок, ее оболочка была модифицирована таким образом, что подобные бактерии стали незаметными для врожденной иммунной системы "хозяев", но при этом неспособными самостоятельно жить во внешней среде.

Этих "кишечных палочек" ученые вставили в клетки дрожжей, претерпевших аналогичные изменения – их митохондрии были необратимым образом повреждены, что фактически лишало их притока АТФ и обрекало на стагнацию или смерть. Соответственно, выходом из этой ситуации, если теория о "приручении" митохондрий верна, должны были стать их новые "сожители". 

Как оказалось, это действительно было так – появление микробов внутри клеток дрожжей оживило их и позволило им начать цикл размножения, перенося вместе собой часть новых "митохондрий". В целом, ученые не нашли никаких проблем с работой их синтетических "фабрик АТФ" на протяжении более чем 40 циклов деления дрожжей, что говорит о жизнеспособности подобного подхода в изучении эволюции жизни.

В ближайшее время генетики планируют еще сильнее "очистить" геном кишечной палочки, постепенно приближая ее к реальным митохондриям. Новые эксперименты, как надеются Шульц и его коллеги, помогут нам понять, когда и как наши предки научились подобному симбиозу.