“Nhà máy điện” không có DNA

May 27, 2019 Tảo thuộc nhóm tảo hai roi đã tổ chức vật liệu di truyền của chúng một cách khác thường

Tế bào của hầu hết các sinh vật sống có cấu trúc đặc biệt chịu trách nhiệm sản xuất năng lượng. Những cái gọi là ty thể này thường có bộ gen riêng, ngoài ra còn có bộ gen trong nhân. Uwe John thuộc Viện Alfred Wegener (AWI) và các đồng nghiệp của ông hiện đã phát hiện ra một ngoại lệ duy nhất cho đến nay ở một loại ký sinh trùng đơn bào. Nhóm nghiên cứu báo cáo trên tạp chí Science Advances rằng ty thể của dinoflagellate Amoebophrya ceratii dường như hoạt động bình thường ngay cả khi không có vật liệu di truyền của riêng chúng.

Dinoflagellate tạo nên một phần lớn sinh vật phù du ở biển. Khoảng một nửa trong số khoảng hai nghìn loài được biết đến thực hành quang hợp như thực vật, những loài khác sống săn mồi hoặc, tùy theo nguồn cung cấp, chuyển đổi giữa các chế độ ăn khác nhau. Và cuối cùng, nhóm tảo đa năng này cũng có những loài ký sinh trong hàng ngũ của chúng. Với một nhóm như vậy, nhóm xung quanh Uwe John hiện đã xem xét bộ gen - và trải qua một điều bất ngờ.

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy đối tượng nghiên cứu của họ trong các tế bào của các loài tảo hai roi khác thuộc chi Alexandrium. Điều này bao gồm một số loài có xu hướng hình thành tảo độc nở hoa khi phát triển hàng loạt. Toàn bộ tấm thảm từ những sinh vật đơn bào này đôi khi trôi dạt trong nước và tạo ra chất độc thần kinh saxitoxin, chất này cũng gây nguy hiểm cho con người. Nhưng có những loại ký sinh trùng có thể ngăn chặn sự nở hoa của tảo như vậy. Chúng bao gồm một loài có tên Amoebophrya ceratii, vốn là trọng tâm của nghiên cứu hiện tại.

"Những sinh vật đơn bào này bơi trong nước được gọi là khủng long bào tử cho đến khi chúng tìm thấy vật chủ", Uwe John giải thích. Khi đến thời điểm, chúng bám vào nạn nhân, xâm nhập vào bên trong và ăn thịt từ trong ra ngoài. Chúng ngày càng lớn hơn và tạo thành một giai đoạn có nhiều nhân tế bào. Giống như một con sâu, cuối cùng nó bò ra khỏi vật chủ đã chết và bẻ thành 200 đến 400 chiếc gai khủng long mới. Một chu kỳ lây nhiễm như vậy chỉ kéo dài từ ba đến bốn ngày và có thể ảnh hưởng lớn đến quần thể Alexandrium.

Nhóm nghiên cứu đã giải trình tự bộ gen của kẻ chinh phục Giftalgen, bao gồm khoảng 100 triệu cặp bazơ. Đó là rất ít đối với một loài tảo hai roi. Bây giờ, một bộ gen nhỏ của ký sinh trùng không có gì đặc biệt. Nhiều người theo lối sống này không tự sản xuất ra tất cả các chất chuyển hóa cần thiết cho sự sống còn mà sử dụng vật chủ của họ. Điều này khiến chúng phụ thuộc vào những thứ này, nhưng cũng có thể hoạt động mà không cần nhiều gen. Nhưng Amoebophrya ceratii đã không đi theo con đường này. Uwe John cho biết: “Ở loài này, hầu hết tất cả các quá trình trao đổi chất đều hoạt động để chúng có thể tự mình đối phó”. Và nó làm được điều đó với một bộ gen nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ loài tảo nào khác.

Nó đã thúc đẩy sự suy giảm này đặc biệt ở phần bộ gen nằm bên ngoài nhân tế bào. Ở thực vật và tảo, DNA không chỉ được tìm thấy ở ty thể mà còn ở trong lục lạp mà chúng cần cho quá trình quang hợp. Bộ gen của chúng nhìn chung khá nhỏ so với tảo hai roi và chỉ bao gồm 14 gen. Tuy nhiên, amoebophrya ceratii dường như đã loại bỏ hoàn toàn các lạp thể và, ngoại trừ một ngoại lệ, gen của chúng.

Ngoạn mục hơn nữa là chương trình thắt lưng buộc bụng mà ký sinh trùng đã áp đặt lên ty thể của nó. Trong mối quan hệ của anh, vẫn còn ba gen trong DNA của những nhà máy điện tế bào nhỏ này. Amoebophrya ceratii rõ ràng đã cứu được toàn bộ bộ gen của ty thể. Bất chấp mọi nỗ lực tìm kiếm tỉ mỉ, nhóm nghiên cứu vẫn không tìm thấy dấu vết nào của nó. Hai gen dường như đã biến mất, gen thứ ba, cytochrome c oxidase 1 (COX1 hoặc COI), đã di chuyển vào nhân. Uwe John nói: “Điều đó thực sự làm tôi ngạc nhiên vì cho đến nay chưa có sinh vật thở oxy nào được biết là không có vật liệu di truyền riêng trong ty thể của nó”.

Sự thắt lưng buộc bụng này có thể hữu ích nếu ký sinh trùng phải nhanh chóng tạo ra nhiều bào tử khủng long mới. Uwe John cho biết: “Có thể sẽ hiệu quả hơn nếu điều chỉnh tất cả các quá trình thông qua hạt nhân”. "Vì vậy, có lẽ tài nguyên của máy chủ có thể được sử dụng theo cách tốt nhất có thể." Tuy nhiên, sẽ không đạt được gì nếu nguồn cung cấp năng lượng sụp đổ. Nhưng mối nguy hiểm dường như không tồn tại: Ty thể hoạt động tốt trong mọi giai đoạn của cuộc đời và cho phép khủng long tìm kiếm vật chủ ngay cả khi bơi nhanh. Uwe John cho biết: “Những loài ký sinh này có thể đã tìm ra cách riêng để tạo ra năng lượng”. "Chúng chỉ cần một phần trong số 5 phức hợp protein đã biết được tìm thấy trong ty thể của con người và mọi loài động vật để tạo ra năng lượng."

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng những phát hiện này sẽ giúp hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của tảo dinoflagellate và các loài tảo của chúng. người thân nói chung. Điều đó cũng sẽ rất thú vị vì mối quan hệ họ hàng của những loài tảo này cũng bao gồm các ký sinh trùng khác và các tác nhân gây bệnh như sốt rét. Ngoài ra, kết quả có thể cung cấp những hiểu biết mới về lịch sử của ty thể và lục lạp. Cả hai đều là những sinh vật độc lập ban đầu đã bị các sinh vật đơn bào khác nuốt chửng từ thời xa xưa và sống trong chúng dưới dạng cái gọi là nội cộng sinh. Theo thời gian, chúng đã thu nhỏ vật liệu di truyền của mình và trở thành nhà cung cấp dịch vụ cho những tế bào không còn khả năng tồn tại một mình. Tuy nhiên, sự phát triển này đã đưa Amoebophrya ceratii đến mức cực đoan và cũng đã tước đi tàn dư của các phần nội cộng sinh còn sót lại trong khả năng tự chủ di truyền của chúng.