Обнаружена новая форма симбиоза: Эндосимбионт получает энергию из дыхания нитратом

Исследователи из Бремена вместе с коллегами из Центра геномов Макса Планка в Кёльне и Швейцарского института водных наук и технологий (Eawag) обнаружили уникальную бактерию, которая живёт внутри одноклеточного эукариота и снабжает его энергией. В отличие от митохондрий, этот так называемый эндосимбионт получает энергию из дыхания нитратом (NO₃^-), а не кислородом. «Такое партнёрство совершенно новое, — говорит старший автор статьи в Nature Яна Милучка. — Симбиоз, основанный на дыхании и передаче энергии, на сегодняшний день не имел прецедентов».

Интимное партнёрство становится всё ближе

До сих пор считалось, что эукариоты в бескислородных средах выживают за счёт брожения, поскольку митохондриям для выработки энергии необходим кислород. Однако из брожения микроорганизмы не могут извлечь столько же энергии, и обычно они не растут и не делятся так быстро, как их аэробные собратья.

«Наша инфузория нашла решение этой проблемы, — говорит первый автор исследования Йон Граф. — Она поглотила бактерию со способностью дышать нитратом и интегрировала её в свою клетку». Учёные оценивают, что ассимиляция произошла по крайней мере 200–300 миллионов лет назад. С тех пор эволюция ещё больше углубила это интимное партнёрство. Эндосимбионт получил название Candidatus Azoamicus ciliaticola — «друг азота», обитающий в инфузории.

Эволюция со сдвигом во времени

Эволюция митохондрий проходила схожим путём. Считается, что более 1 миллиарда лет назад предковая архея поглотила бактерию, и между ними начался важный симбиоз, положивший начало эукариотической клетке.

«Наш эндосимбионт способен выполнять многие митохондриальные функции, хотя и не имеет общего эволюционного происхождения с митохондриями, — говорит Милучка. — Возникает соблазн предположить, что симбионт может пойти по тому же пути, что и митохондрии, и в конечном итоге стать органеллой».

Случайная встреча

Исследователи из группы парниковых газов Института морской микробиологии Макса Планка изучали микроорганизмы, участвующие в метаболизме метана, в глубоких слоях воды высокостратифицированного (без вертикального обмена) озера Цуг в Швейцарии. Эти слои не содержат кислорода, но богаты метаном и соединениями азота, такими как нитрат.

Ища бактерии, потребляющие метан, с генами превращения азота, Граф наткнулся на удивительно маленькую последовательность генов, кодирующую полный метаболический путь для нитратного дыхания. Сравнение ДНК с базой данных показало сходство только с симбионтами, живущими в тлях и других насекомых, что не имело смысла для глубоководной среды.

В итоге возникла теория: геном должен принадлежать неизвестному эндосимбионту. Чтобы её проверить, учёные собрали новые пробы из озера Цуг. С помощью генетического маркера им удалось визуализировать эндосимбионт и идентифицировать его хозяина — протиста (инфузорию).

Много новых вопросов

Это открытие порождает множество новых вопросов:

• Существуют ли аналогичные, но более древние симбиозы, где эндосимбионт уже пересёк границу и стал органеллой?
• Если такой симбиоз существует для нитратного дыхания, существует ли он и для других соединений?
• Как этот симбиоз, существующий 200–300 миллионов лет, оказался в постледниковом альпийском озере, которому всего 10 000 лет?

«Теперь, когда мы знаем, что ищем, мы находим генетические последовательности этого эндосимбионта по всему миру», — говорит Милучка. Исследователи обнаружили их во Франции, на Тайване и в озёрах Восточной Африки, которые частично намного старше озера Цуг. Группа планирует исследовать эти вопросы далее.