© Watercolor image of a healthy dinoflagellate Alexandrium (left) and one affected by Amoebophrya (right), (c) Yameng Lu
© Watercolor image of a healthy dinoflagellate Alexandrium (top right), one of Amoebophrya infested (left) and the worm-shaped parasite that breaks through the cell wall of the host (bottom right), (c) Yameng Lu
© A healthy dinoflagellate of the genus Alexandrium, (c) Yameng Lu
© Alexandrium infested by Amoebophrya, (c) Yameng Lu
“Pembangkit listrik” tanpa DNA
May 27, 2019
Alga dari kelompok dinoflagellata telah mengatur materi genetiknya dengan cara yang tidak biasa
Sel sebagian besar makhluk hidup memiliki struktur khusus yang bertanggung jawab untuk produksi energi. Yang disebut mitokondria ini biasanya memiliki genomnya sendiri, selain genom di dalam nukleus. Uwe John dari Alfred Wegener Institute (AWI) dan rekan-rekannya kini telah menemukan pengecualian unik pada parasit bersel tunggal. Mitokondria dinoflagellata Amoebophrya ceratii tampaknya berfungsi dengan baik bahkan tanpa materi genetiknya sendiri, lapor tim tersebut dalam jurnal Science Advances.
Dinoflagellata merupakan sebagian besar plankton di laut. Sekitar setengah dari sekitar dua ribu spesies yang diketahui melakukan fotosintesis seperti tanaman, yang lain hidup sebagai predator atau, tergantung pada tawarannya, beralih di antara pola makan yang berbeda. Dan yang terakhir, kelompok alga serba guna ini juga memiliki parasit di jajarannya. Dengan tim seperti itu, tim yang dipimpin oleh Uwe John kini telah melihat genomnya - dan mendapatkan kejutan.
Para peneliti telah menemukan objek studi mereka di dalam sel dinoflagellata lain dari genus Alexandrium. Hal ini mencakup beberapa spesies yang cenderung membentuk pertumbuhan alga beracun dalam perkembangan massal. Seluruh karpet dari organisme uniseluler ini terkadang hanyut di air dan menghasilkan racun saraf saxitoxin, yang juga berbahaya bagi manusia. Namun ada parasit yang dapat membendung pertumbuhan alga tersebut. Ini termasuk spesies yang disebut Amoebophrya ceratii, yang menjadi fokus penelitian saat ini.
"Organisme uniseluler ini berenang di air sebagai dinospora sampai mereka menemukan inangnya," jelas Uwe John. Ketika saatnya tiba, mereka menempel pada korbannya, menembusnya dan memakannya dari dalam ke atas. Mereka semakin besar dan membentuk suatu stage dengan banyak inti sel. Seperti cacing, ia akhirnya merangkak keluar dari inangnya yang mati dan membelah menjadi 200 hingga 400 duri dinosaurus baru. Siklus infeksi seperti itu hanya berlangsung tiga hingga empat hari dan dapat berdampak besar pada populasi Alexandrium.
Tim telah mengurutkan genom penakluk Giftalgen, yang terdiri dari sekitar 100 juta pasangan basa. Itu sangat sedikit untuk seekor dinoflagellata. Sekarang, genom kecil untuk sebuah parasit bukanlah sesuatu yang istimewa. Banyak penganut gaya hidup ini tidak memproduksi sendiri semua metabolit yang diperlukan untuk kelangsungan hidup, tetapi menggunakan inangnya. Hal ini membuat mereka bergantung pada gen-gen tersebut, namun mereka juga dapat hidup tanpa banyak gen. Namun Amoebophrya ceratii tidak mengikuti jalan ini. “Pada spesies ini, hampir semua proses metabolisme berjalan sehingga mereka mampu mengatasinya sendiri,” kata Uwe John. Dan ia melakukan hal tersebut dengan genom yang jauh lebih kecil dibandingkan dinoflagellata lainnya.
Ia telah mendorong pengurangan ini terutama pada bagian genom yang terletak di luar inti sel. Pada tumbuhan dan alga, DNA tidak hanya ditemukan di mitokondria tetapi juga di plastida yang mereka perlukan untuk fotosintesis. Genom mereka umumnya cukup kecil dengan dinoflagellata dan hanya terdiri dari 14 gen. Namun, Amoebophrya ceratii tampaknya telah menghapuskan seluruh plastida dan, dengan satu pengecualian, gen-gennya.
Yang lebih spektakuler lagi adalah program penghematan yang dilakukan parasit pada mitokondrianya. Dalam hubungannya, masih ada tiga gen dalam DNA pembangkit listrik sel kecil tersebut. Amoebophrya ceratii rupanya telah menyelamatkan seluruh genom mitokondria. Meskipun telah dilakukan pencarian yang cermat, tim tidak menemukan jejaknya. Dua gen tampaknya telah menghilang, yang ketiga, sitokrom c oksidase 1 (COX1 atau COI), telah bermigrasi ke dalam nukleus. "Hal ini benar-benar mengejutkan saya," kata Uwe John, "karena sejauh ini tidak ada makhluk penghirup oksigen lain yang diketahui tidak memiliki materi genetik dalam mitokondrianya."
Penghematan ini dapat berguna jika parasit harus segera membuat banyak spora dinosaurus baru. “Mungkin akan lebih efektif untuk mengatur semua proses melalui nukleus,” kata Uwe John. "Jadi mungkin sumber daya tuan rumah dapat digunakan sebaik mungkin." Namun, tidak ada keuntungan apa pun jika pasokan energi terhenti. Namun bahayanya tampaknya tidak ada: Mitokondria bekerja dengan baik di semua tahap kehidupan dan memungkinkan dinosaurus mencari inang bahkan untuk berenang cepat. “Parasit ini mungkin menemukan caranya sendiri untuk menghasilkan energi,” kata Uwe John. "Mereka hanya memerlukan sebagian dari lima kompleks protein yang diketahui ditemukan di seluruh mitokondria manusia dan semua hewan untuk menghasilkan energi."
Para peneliti berharap temuan ini akan membantu untuk lebih memahami evolusi dinoflagellata dan evolusinya. kerabat secara keseluruhan. Hal ini juga menarik karena kekerabatan alga ini juga mencakup parasit lain dan agen penyebab penyakit seperti malaria. Selain itu, hasilnya dapat memberikan wawasan baru tentang sejarah mitokondria dan plastida. Keduanya awalnya merupakan makhluk independen yang ditelan oleh organisme uniseluler lain sejak dahulu kala dan hidup di dalamnya sebagai apa yang disebut endosimbion. Seiring berjalannya waktu, mereka telah menyusutkan materi genetiknya dan menjadi penyedia layanan sel yang tidak lagi dapat bertahan hidup sendirian. Namun perkembangan ini telah membawa Amoebophrya ceratii ke tingkat ekstrem dan juga menghilangkan sisa-sisa otonomi genetik endosimbionnya.