Открити едноклетъчни организми с ядро, но без митохондрии

Фигура: един. Monocercomonoides globus - едноклетъчен еукариотен организъм, който е загубил не само митохондриите, но и всички гени, свързани с тяхната работа. Снимка от сайта tolweb.org

Учени от Чешката република и Канада са изследвали едноклетъчен еукариот Monocercomonoides, загубени митохондрии по време на еволюцията. При еукариотите енергията се съхранява в митохондриите поради окисляването на органичните съединения с кислород; тази функция се изпълнява от комплекс от митохондриални и ядрени гени. Но имайте Monocercomonoides не са открити митохондриални или ядрени гени, свързани с тази функция. Както се оказа, Monocercomonoides успя да изостави напълно митохондриите, след като получи набор от необходими бактериални ензими по време на хоризонтален генен трансфер.

В учебниците по биология е записано, че еукариотите се различават от прокариотите по наличието на ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, апарат на Голджи и други мембранни органели. Но както се оказа, има изключения от класическите определения. Например, екип от биоинформатика, представляващ лаборатории в няколко университета в Чешката република и Канада, имаше късмета да изследва еукариотния организъм без митохондрии.

Първоначално се смяташе, че без митохондрии - органели, които съхраняват енергия в клетката под формата на АТФ - еукариотна клетка не може да съществува. След това бяха открити еукариотни едноклетъчни организми без митохондрии (например ламблия, трихомонада Trichomonas vaginalis, любезни дипломати Спиронуклеус Всички паразитни едноклетъчни организми) и необходимостта от митохондрии е поставена под въпрос. На този етап (средата на 80-те години на XX век) се развива активно хипотеза за симбиотичния произход на еукариотите. Следователно възможността за съществуването на „преходни“ клетки с ядро, но без митохондрии - т. Нар. Царство Archezoa - изглеждаше съвсем логично.

Но след това се оказа, че тези "преходни" форми все още имат органели, получени от митохондрии: това са митозоми в ламблии, хидрогенозоми в трихомонади и малки мембранни органели, подобни на хидрогенозомите в Спиронуклеус. Комплекси от специфични митохондриални ензими са работили във всички тези структури и техните функции по един или друг начин са свързани с енергийния метаболизъм. Когато доказателствата за митохондриалната природа на тези органели вече не се съмняваха, цялата архезойска концепция загуби реална подкрепа. Мнението, че еукариотите са невъзможни без митохондрии.

В този дух започна обичайното изследване на друг организъм без очевидни митохондрии - Monocercomonoides sp. от червата на чинчила. Това е представител на метамонадите (виж: Метамонада) - бичевни протозои, които нямат нормални митохондрии. Учените планираха да прочетат генома на този организъм и по-специално да определят наличието и локализацията на гени, свързани с митохондриалните функции.

Решавайки, че въпросът може да е в острата специализация на този генетичен комплекс, учените започнаха да търсят липсващите във всички обширни бази данни с геномни данни. Но няма нито един подобен ген със специфични функции, свързани изключително с митохондриите. С други думи, не е намерено нищо, което да показва работата на митохондриите или техните аналози, за получаване на енергия чрез биохимичния метод, който еукариотите обикновено използват. Докато тези странни организми получават своята енергия?

Гени за ензими, отговорни за метаболизма в Monocercomonoides са намерени. Техният комплекс позволява на тази едноклетъчна да разлага глюкоза при анаеробни условия и след това пируват, крайният продукт на анаеробната гликолиза, до водород или до етанол и оцетна киселина. освен това, Monocercomonoides има ензимен комплект за разцепване на аминокиселината аргинин; този метаболитен път е дори по-ефективен от анаеробната гликолиза. Този метаболизъм е известен при Giardia и Trichomonas и протича директно в цитоплазмата.

Електронните проводници, един вид биомолекулни проводници, играят най-важната роля за получаване на енергия и прехвърлянето й към АТФ. При живите организми тяхната функция се изпълнява от протеини с железно-серни клъстери (Fe-S-клъстери, виж: R. Lill, U. Mühlenhoff, 2006. Биогенезата на железно-сярния протеин в еукариотите: компоненти и механизми). Те се характеризират с подвижни връзки между желязо и сяра и поради това могат да участват в трансфера на електрони. Като правило, при еукариотите тези протеини с Fe - S клъстери се произвеждат в митохондриите (в растенията, в пластидите). Бактериите и археите също очевидно имат тези основни протеини - без тях преносът на енергия ще спре. Но те се синтезират с помощта на техния собствен, бактериален, набор от ензими в цитоплазмата. Както се оказа, Monocercomonoides за синтеза на Fe-S-клъстери използва бактериален набор от ензими, а не еукариот. Същите бактериални ензими са открити в Paratrimastix pyriformis, близък роднина Monocercomonoides.

Фигура: 2. Нагоре: еукариотен организъм с митохондрии, в който работи комплекс от ензими за сглобяване на Fe-S-клъстер (железно-сярен клъстер, ISC). По средата: при организми с редуцирани митохондрии (митозоми, хидрогенозоми) кислородното дишане и съответно кислородното фосфорилиране на продуктите на гликолизата отсъстват, вместо тях се включват други реакции на производството на АТФ, но железно-сярните клъстери се синтезират по доказан начин. На дъното: с пълна загуба на митохондрии, организмите трябваше да заменят митохондриалния комплекс ISC с бактериален набор от SUF (Sulph mobilization), който също се справя с производството на железо-сярни клъстери (вж. Биосинтез на железно-сярна клъстер). Фигура от обсъжданата статия в Съвременна биология

Изследователите вярват в това Monocercomonoides Все още е единственият известен еукариотен организъм, който напълно е изоставил митохондриите и всичко свързано с тях. Липсващите жизнени функции на митохондриите, като синтеза на Fe-S-клъстери, те компенсираха, заемайки минимален комплекс от ензими от бактериите (фиг. 2, 3).

Фигура: 3. Схема на еволюция на митохондриите на метамонадите. Нормалните митохондрии са редуцирани до митозоми или други подобни органели, но еукариотните компоненти на Fe - S клъстерния сбор (ISC) функционират. Предци Monocercomonoides и Паратримастикс получават бактериален комплекс за синтеза на Fe-S-клъстери (SUF), това им позволява да изхвърлят ензимите на ISC-комплекса. Имайте Monocercomonoides митозомите също изчезват. Успоредно с това, други метамонади, които не са получили допълнителен цитоплазмен комплекс за синтеза на Fe - S клъстери, задържат митозоми или техните аналози с оригиналния митохондриален комплекс ISC. Фигура от обсъжданата статия в Съвременна биология

Едва ли Monocercomonoides - Предимно немитохондриален еукариотен организъм. В крайна сметка негов роднина Паратримастикс пириформис има митозоми, което означава, Monocercomonoides стигнах малко по-надолу по пътя на митохондриите. За това полезните ензими, взети от бактериите, бяха много полезни. Този пример, подчертават учените, показва, че еукариотите не са толкова недостъпни за хоризонтален трансфер на гени, както обикновено се смята. Те могат добре да усвоят чужди гени, дори ако са бактериални.

И по-важното, Monocercomonoides демонстрира основната възможност за съществуване на немитохондриална ядрена клетка. Такъв организъм може да живее в среда с ниско съдържание на кислород или без кислород, в условия на висока концентрация на органични вещества, сяра и желязо. И как той се разпорежда със своя биохимичен арсенал, бактериален или еукариот, е негов собствен бизнес, печалба.