С помощью крошечной иглы и велосипедного насоса ученые выяснили откуда взялись митохондрии

Ученые имплантировали бактерии в клетку грибка. Таким образом были воссозданы симбиотические отношения, которые миллиарды лет назад могли послужить толчком к эволюции сложной жизни, в том числе развитию митохондрий.

Работа опубликована в журнале Nature.

Эндосимбиотические отношения, когда микробный партнер гармонично развивается внутри клеток другого организма, встречаются у многих форм жизни, включая насекомых и грибы. Ученые считают, что митохондрии – органеллы, отвечающие за производство энергии в клетках, – появились, когда бактерия поселилась внутри предка эукариотических клеток.

Но определить факторы, которые сформировали и поддерживали этот симбиоз сегодня сложно, поскольку он возник миллиарды лет назад.

Чтобы решить эту проблему, команда под руководством микробиолога Джулии Ворхольт из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе создала эндосимбиозы в лаборатории. Они использовали иглу шириной 500-1000 нанометров, которой прокололи мембрану клетки-хозяина и ввели в нее бактерии.

Первые попытки оказались неудачными. Введенная в клетку бактерия делилась слишком быстро и убивала клетку-хозяина. Тогда исследователи воссоздали естественный симбиоз, возникающий между грибком Rhizopus microsporus (патогеном растений) и обитающей в нем бактерией Mycetohabitans rhizoxinica, которая производит токсин, защищающий грибок от хищников. Причем ученые взяли штамм грибка, который в естественных условиях не содержит бактерии-симбионты.

Проткнув мембрану грибка, исследователи использовали велосипедный насос, а затем воздушный компрессор, чтобы поддерживать давление, достаточное для доставки бактерий в клетку-хозяина. Грибки успешно восстановились после операции и произвели споры, часть из которых содержала введенные в клетку бактерии. Когда споры прорастали, бактерии появлялись в клетках следующего поколения грибков.

Но успешность прорастания спор, содержащих бактерии, была низкой. В смешанной популяции спор (часть с бактериями и часть без них) споры с бактериями исчезали через два поколения. Тогда ученые отделили только те споры, которые содержали бактерии. Уже через десять поколений эти споры прорастали так же эффективно, как и споры без бактерий. По словам ученых в грибках очень быстро развилась мутация, которая сдерживала размножение бактерий.

Эта работа не только дает представление о том, как сформировались первые сложные клетки, содержащие митохондрии, но такого рода искусственный симбиоз может помочь созданию микроорганизмов с новыми полезными свойствами, которых нет в природе.