«Εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής» χωρίς DNA

May 27, 2019 Τα φύκια από την ομάδα των δινομαστιγωτών έχουν οργανώσει το γενετικό τους υλικό με ασυνήθιστο τρόπο

Τα κύτταρα των περισσότερων ζωντανών όντων έχουν ειδικές δομές που είναι υπεύθυνες για την παραγωγή ενέργειας. Αυτά τα λεγόμενα μιτοχόνδρια έχουν συνήθως το δικό τους γονιδίωμα, εκτός από αυτό στον πυρήνα. Ο Uwe John του Ινστιτούτου Alfred Wegener (AWI) και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν τώρα μια μοναδική εξαίρεση σε ένα μονοκύτταρο παράσιτο. Τα μιτοχόνδρια του δινομαστιγώματος Amoebophrya ceratii φαίνεται να λειτουργούν σωστά ακόμη και χωρίς το δικό τους γενετικό υλικό, αναφέρει η ομάδα στο περιοδικό Science Advances.

Τα δινομαστιγώματα αποτελούν ένα μεγάλο μέρος του πλαγκτόν στις θάλασσες. Περίπου τα μισά από τα περίπου δύο χιλιάδες γνωστά είδη ασκούν φωτοσύνθεση όπως τα φυτά, άλλα ζουν αρπακτικά ή, ανάλογα με την προσφορά, αλλάζουν μεταξύ διαφορετικών δίαιτων. Και τέλος, αυτή η ευέλικτη ομάδα φυκιών έχει επίσης παράσιτα στις τάξεις της. Με μια τέτοια ομάδα, η ομάδα γύρω από τον Uwe John έριξε τώρα μια ματιά στο γονιδίωμα - και γνώρισε μια έκπληξη.

Οι ερευνητές βρήκαν το αντικείμενο μελέτης τους μέσα στα κύτταρα άλλων δινομαστιγωτών του γένους Alexandrium. Αυτό περιλαμβάνει πολλά είδη που τείνουν να σχηματίζουν τοξικές ανθίσεις φυκιών σε μαζικές εξελίξεις. Ολόκληρα χαλιά από αυτούς τους μονοκύτταρους οργανισμούς μερικές φορές παρασύρονται στο νερό και παράγουν το δηλητήριο των νεύρων σαξιτοξίνη, η οποία είναι επίσης επικίνδυνη για τον άνθρωπο. Υπάρχουν όμως παράσιτα που μπορούν να ανακόψουν τέτοιες ανθίσεις φυκιών. Αυτά περιλαμβάνουν ένα είδος που ονομάζεται Amoebophrya ceratii, το οποίο ήταν το επίκεντρο της τρέχουσας μελέτης.

"Αυτοί οι μονοκύτταροι οργανισμοί κολυμπούν μέσα στο νερό ως λεγόμενοι δεινόσποροι μέχρι να βρουν τον ξενιστή τους", εξηγεί ο Uwe John. Όταν έρθει η ώρα, προσκολλώνται στο θύμα τους, διεισδύουν σε αυτό και το τρώνε από μέσα προς τα πάνω. Γίνονται όλο και μεγαλύτεροι και σχηματίζουν ένα στάδιο με πολλούς κυτταρικούς πυρήνες. Σαν σκουλήκι, τελικά σέρνεται έξω από τον νεκρό ξενιστή και σπάει σε 200 με 400 νέα αγκάθια δεινοσαύρων. Ένας τέτοιος κύκλος μόλυνσης διαρκεί μόνο τρεις έως τέσσερις ημέρες και μπορεί να επηρεάσει μαζικά τους πληθυσμούς του Αλεξάνδρου.

Η ομάδα ανέλυσε την αλληλουχία του γονιδιώματος του κατακτητή Giftalgen, το οποίο αποτελείται από περίπου 100 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Αυτό είναι πολύ λίγο για ένα δινομαστίγωμα. Τώρα, ένα μικρό γονιδίωμα για ένα παράσιτο δεν είναι τίποτα το ιδιαίτερο. Πολλοί οπαδοί αυτού του τρόπου ζωής δεν παράγουν μόνοι τους όλους τους απαραίτητους μεταβολίτες για την επιβίωση, αλλά χρησιμοποιούν τους ξενιστές τους. Αυτό τους κάνει να εξαρτώνται από αυτά, αλλά μπορούν επίσης να κάνουν χωρίς πολλά γονίδια. Αλλά η Amoebophrya ceratii δεν ακολούθησε αυτό το μονοπάτι. «Σε αυτό το είδος, σχεδόν όλες οι μεταβολικές διεργασίες λειτουργούν έτσι ώστε να μπορούν να αντεπεξέλθουν μόνοι τους», λέει ο Uwe John. Και το κάνει αυτό με ένα πολύ μικρότερο γονιδίωμα από οποιοδήποτε άλλο δινομαστιγωτό.

Έχει οδηγήσει αυτή τη μείωση ιδιαίτερα μακριά σε εκείνο το τμήμα του γονιδιώματος που βρίσκεται έξω από τον πυρήνα του κυττάρου. Στα φυτά και τα φύκια, το DNA βρίσκεται όχι μόνο στα μιτοχόνδρια αλλά και στα πλαστίδια που χρειάζονται για τη φωτοσύνθεση. Το γονιδίωμά τους είναι γενικά αρκετά μικρό με δινομαστιγώματα και αποτελείται από μόνο 14 γονίδια. Το Amoebophrya ceratii όμως φαίνεται ότι έχει καταργήσει εντελώς τα πλαστίδια και, με μια εξαίρεση, τα γονίδιά τους.

Ακόμα πιο θεαματικό είναι το πρόγραμμα λιτότητας που έχει επιβάλει το παράσιτο στα μιτοχόνδριά του. Στη σχέση του, υπάρχουν ακόμη τρία γονίδια στο DNA αυτών των μικρών κυτταρικών σταθμών παραγωγής ενέργειας. Η Amoebophrya ceratii προφανώς έχει σώσει ολόκληρο το μιτοχονδριακό γονιδίωμα. Παρά την σχολαστική εργασία αναζήτησης, η ομάδα δεν βρήκε κανένα ίχνος του. Δύο γονίδια έχουν προφανώς εξαφανιστεί, το τρίτο, η οξειδάση του κυτοχρώματος c 1 (COX1 ή COI), έχει μεταναστεύσει στον πυρήνα. "Αυτό με εξέπληξε πραγματικά", λέει ο Uwe John, "επειδή μέχρι στιγμής δεν είναι γνωστό κανένα άλλο πλάσμα που αναπνέει οξυγόνο που να μην έχει το δικό του γενετικό υλικό στα μιτοχόνδριά του."

Αυτή η λιτότητα θα μπορούσε να είναι χρήσιμη εάν τα παράσιτα πρέπει να δημιουργήσουν γρήγορα πολλά νέα σπόρια δεινοσαύρων. «Μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικό να ρυθμίζονται όλες οι διαδικασίες μέσω του πυρήνα», λέει ο Uwe John. "Έτσι, πιθανότατα οι πόροι του οικοδεσπότη μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τον καλύτερο δυνατό τρόπο." Ωστόσο, τίποτα δεν θα κέρδιζε εάν κατέρρεε η παροχή ενέργειας. Αλλά ο κίνδυνος δεν φαίνεται να υπάρχει: Τα μιτοχόνδρια λειτουργούν καλά σε όλα τα στάδια της ζωής και επιτρέπουν στους δεινόσαυρους που αναζητούν οικοδεσπότη ακόμη και μια γρήγορη κολύμβηση. «Αυτά τα παράσιτα έχουν πιθανώς βρει τον δικό τους τρόπο να παράγουν ενέργεια», λέει ο Uwe John. "Απαιτούνται μόνο μέρος των πέντε γνωστών πρωτεϊνικών συμπλεγμάτων που βρίσκονται σε όλα τα μιτοχόνδρια των ανθρώπων και όλων των ζώων για την παραγωγή ενέργειας."

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτά τα ευρήματα θα βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση της εξέλιξης των δινομαστιγωτών και τους συγγενείς στο σύνολό τους. Αυτό θα ήταν επίσης ενδιαφέρον επειδή η συγγένεια αυτών των φυκών περιλαμβάνει επίσης άλλα παράσιτα και τους αιτιολογικούς παράγοντες ασθενειών όπως η ελονοσία. Επιπλέον, τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να παρέχουν νέες γνώσεις για την ιστορία των μιτοχονδρίων και των πλαστιδίων. Και τα δύο ήταν αρχικά ανεξάρτητα πλάσματα που καταπιούνταν από άλλους μονοκύτταρους οργανισμούς από αμνημονεύτων χρόνων και ζούσαν μέσα τους ως τα λεγόμενα ενδοσυμβίωση. Με τον καιρό, έχουν συρρικνωθεί το γενετικό τους υλικό και έχουν γίνει οι πάροχοι υπηρεσιών κυττάρων που δεν είναι πλέον βιώσιμα μόνα τους. Αυτή η εξέλιξη, ωστόσο, έχει οδηγήσει την Amoebophrya ceratii στα άκρα και έχει επίσης στερήσει από τα ενδοσυμβίωσά της τα υπολείμματα της γενετικής τους αυτονομίας.