"Энергетическую" бактерию нашли ученые

Бактерию, которая, возможно, является предком современных митохондрий - клеточных органелл, снабжающих нас энергией, обнаружили австралийские ученые. Эта бактерия была названа Midichloria mitochondrii - в честь таинственных мидихлорианов, дарующих силу джедаям из "Звездных войн". Данная находка еще раз подтвердила справедливость теории симбиогенеза.

Напомним, согласно теории симбиогенеза, часть органелл эукариотической (то есть имеющей ядро) клетки, такие, например, как митохондрии (обеспечивающие последние стадии процесса дыхания), пластиды (обеспечивающие фотосинтез) и, возможно, жгутики и реснички (обеспечивающие движение), когда-то были независимыми прокариотическими (то есть лишенными ядра) организмами. Потом же, где-то примерно два миллиарда лет тому назад, они вступили в симбиоз с только-только появившимися эукариотами.

Именно в таком виде эта гипотеза впервые высказана отечественным биологом К. С. Мережковским в 1909 году и затем обоснована А. С. Фаминцыным (тем самым ученым, который доказал, что лишайники являются "продуктом" симбиоза гриба и водоросли). В дальнейшем эта теория была забыта, и ее "второе рождение" произошло лишь в 60-х годах прошлого столетия - концепцию "извлекла на свет", дополнила и систематизировала американская исследовательница Линн Маргулис.

Все те, кто занимался разработкой данной гипотезы, представляли себе путь симбиоза примерно так: большая и хищная эукариотическая клетка (впрочем, есть версия, что это был крупный и прожорливый прокариот) время от времени пожирала прокариот. Большая часть из них благополучно переваривалась, но некоторые оставались в целости и сохранности.

Постепенно они поняли, что жить в "чреве кита" не так-то и плохо - и безопаснее, и пища есть. А эукариотические "обжоры" также осознали выгоду своего положения - новые жильцы умели использовать кислород для более эффективной схемы дыхания, а также свет для получения энергии синтеза органических веществ.

В итоге с бывшей "пищей" был заключен своеобразный "арендный договор": безопасность и питание в обмен на работу на благо всей клетки. С тех пор митохондрии и пластиды живут внутри эукариотических клеток и, что самое приятное, квартиранты и хозяева друг на друга не жалуются - наоборот, очень довольны сотрудничеством.

Что касается жгутиков, то с ними происходила похожая схема, правда, их прокариотических предков никто не глотал. Считается, что они просто "пристроились" на мембрану эукариотической клетки, а хозяин, оценив, что те помогают ему двигаться, не стал их прогонять.

Правда, доказать симбиогенез в случае жгутиков достаточно не просто. Конечно, в природе существует такой забавный жгутиконосец, как Mixotricha paradoxa, который имеет на своей мембране более 250 тысяч бактерий Treponema spirochetes, прикрепленных к поверхности своей клетки, и обеспечивающих движение хозяина.

Тем не менее, это всего лишь доказывает возможность симбиоза, но не его факт. Дело в том, что строение жгутиков и их отношения с другими органеллами не дают повода заподозрить их в том, что когда-то они были самостоятельными организмами.

А вот с пластидами и митохондриями здесь куда проще. Во-первых, у них имеется двойная мембрана. Это можно трактовать как свидетельство того, что когда-то они были пойманы эукариотической клеткой. В этом случае внешняя мембрана является фагоцитозным пузырьком, в который любой одноклеточный охотник перед съедением заключает своих жертв, а внутренняя - их собственная мембрана.

Во-вторых, у них есть собственная ДНК, весьма похожая на бактериальную, а не на эукариотическую, а также собственные рибосомы для синтеза белка (тоже бактериального типа). В-третьих, они могут самостоятельно размножаться делением.

Кроме того, имеются и косвенные доказательства (то есть доказательства того, что это в принципе возможно). Так, например, амебы рода Pelomyxa, обитающие в болотах, не содержат митохондрий и образуют симбиоз с бактериями, перерабатывающими метан. Вышеупомянутый Mixotrichaparadoxa тоже не имеет митохондрий - их функции в его организме выполняют сферические аэробные бактерии (относящиеся, кстати, к четырем различным видам).

А одноклеточная жгутиковая водоросль Cyanophora paradoxa вместо нормальных пластид содержит цианеллы - органоиды, напоминающие типичные хлоропласты красных водорослей, но отличающиеся от них наличием тонкой клеточной стенки, содержащей пептидогликан (это вещество обычно в клеточных стенках фотосинтезирующих цианобактерий).

Итак, как видите, доказательств хватает. Правда, есть и спорные моменты - например, тот факт, что многие важные белки митохондрий и хлоропластов кодируются ядерными генами, синтезируются на рибосомах цитоплазмы и только потом доставляются аж сквозь две мембраны в органеллы.

Более того, в их геномах нет соответствующих генов для их синтеза. Однако этому есть объяснение - не исключено, что эти гены в процессе эволюции симбиоза были просто "импортированы" в ДНК хозяина-эукариота (бактерии ведь часто встраивают свои гены в другие организмы). И сделано это было для того, чтобы обеспечить этим очень важным участкам ДНК лучшую сохранность.

Другим "затруднением" этой теории является то, что до сих пор не найден организмы, максимально похожие на предков митохондрий и пластид. Однако, похоже, недавно и эту сложность удалось преодолеть. В 2004 году Натан Лоу и его коллеги из Сиднейского университета (Австралия) открыли бактерию, чрезвычайно похожую на митохондрий. Это существо с позволения Джорджа Лукаса назвали Midichloria mitochondrii - в честь таинственных симбиотических микроорганизмов мидихлорианов, дарующий Силу джедаям из "Звездных войн".

Выяснилось, что эти бактерии относятся к группе риккетсий (Rickettsiae) - внутриклеточных паразитов, к которым относятся возбудители многих болезней (например, сыпного тифа и лихорадки скалистых гор). Так же поступают и M. Mitochondrii, однако у них есть еще одна удивительная особенность - они, проникая в клетку, не остаются в цитоплазме, а забираются прямо... в митохондрии (видимо, для того, что бы проведать потомков).

Изучив геном "мидихлорианов", исследователи увидели, что эти организмы располагают полным набором генов для создания бактериальных жгутиков. Это говорит о том, что их предки, видимо, имели свободноживущую подвижную стадию жизненного цикла, которая находила клетки хозяев и проникала в них (ведь самому внутриклеточному паразиту жгутик уже не нужен).

Кроме того, ученые нашли у M. mitochondrii гены ферментов, которые обеспечивают существование бактерий в условиях недостатка кислорода. Значит, их предки обитали в среде, весьма бедной этим необходимым для многих живых существ элементом.

Исходя из этого, исследователи предложили альтернативную историю превращения бактерий в митохондрии. По их мнению, предки нынешних "клеточных электростанций" были активно двигающимися паразитами, которые сами искали хозяев, то есть древних эукариот. А специальные ферменты помогали им переносить недостаток кислорода в тех местах, где они жили.

Какое-то время эукариоты пытались защищаться от риккетсий, ну, а потом видимо, решили, что выгоднее заключить с ними "сделку", что и произошло. В итоге через миллионы лет паразиты и хозяева так привыкли друг к другу, что уже не смогли существовать порознь.

Что же, версия вполне правдоподобная. Кроме того, она объясняет еще один спорный момент теории симбиогенеза - отсутствие у митохондрий любых следов клеточной стенки. Но если они произошли от риккетсий, то ее просто не было изначально, поскольку у данных бактерий клеточная стенка отсутствует.

Что касается возможности превращения паразитизма в симбиоз, то в природе такое случается часто - вспомнить хотя бы нашу кишечную флору, многие обитатели которой пришли в человеческий организм как паразиты, но со временем превратились в симбионтов...