Более миллиарда лет назад одна простая клетка оказалась в ловушке внутри другой и никогда не покидала ее, а ее потомки стали митохондриями, так называемыми электростанциями клеток. Но даже сейчас бактериальные родственники этой первой пойманной клетки — протомитохондрии, как ее называют исследователи, — можно найти плавающими в современных горячих источниках, предполагает новое исследование.
Протомитохондрии дали начало клеточному энергетическому центру эукариот — всех животных, растений, грибов и простейших, клетки которых содержат структуры, называемые органеллами, выполняющими определенные функции. Хотя у митохондрий все еще есть собственная ДНК, доступная для анализа, исследователи еще не определили окончательно, какие виды современных бактерий могут происходить от протомитохондрий.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, исследователи сосредоточились на генетических особенностях, которые позволяют бактериям выполнять определенные функции, необходимые для протомитохондрий, например, производить жиры для митохондриальных мембран. Используя эти генетические критерии, исследователи определили тип бактерий, происхождение которых от протомитохондрий ранее не предполагалось и которые живут в условиях, подобных тем, которые поддерживали бы жизнь в древних океанах Земли.
За 1,6–1,8 миллиарда лет, прошедших с момента возникновения митохондрий, генетическая подпись протомитохондрий «разбавилась, смешалась и… осталась совсем немного», — говорит Мауро Дельи Эспости, старший автор статьи и исследователь. Об этом сообщили в Центре геномных наук Национального автономного университета Мексики. Из-за этого команда Дельи Эспости применила подход, который не слишком полагался на генетические последовательности, которые могли быть зашифрованы, сказал он.
Исследователи просмотрели хранилище из 314 геномов альфапротеобактерий — класса бактерий, от которых, как предполагают исследования, произошли протомитохондрии — в поисках генов, кодирующих основные белки. Некоторые из наиболее важных из этих генов, по словам Дельи Эспости, служат той же цели, что и те, которые митохондрии используют для производства энергии с использованием кислорода, а также без кислорода.
Для создания определенных жиров, включая кардиолипины, потребуются другие гены. Эти жиры обнаружены у прокариот — организмов, в клетках которых отсутствуют органеллы, — а также в митохондриальных мембранах и некоторых восковых молекулах эукариот.
Бактерии отряда Iodidimonadales соответствовали наибольшему количеству этих генетических критериев, что привело исследователей к мысли, что эти бактерии могут быть тесно связаны с протомитохондриями. Эти бактерии живут в самых разных местах, в том числе в пресноводных и океанских геотермальных источниках, экстремальных условиях, подобных тем, которые были обнаружены в океанах Земли почти 2 миллиарда лет назад.
Бактерии Iodidimonadales ранее не были отмечены как потенциальные потомки протомитохондрий и не обладают всеми чертами, которые исследователи считали важными. Команда связывает это с «латеральным переносом генов» — процессом, который бактерии используют для передачи генов друг другу и способом, которым они могут со временем терять гены.
Рассмотрение этих генетических признаков является логичным подходом, сказал Серхио Муньос-Гомес, доцент биологических наук в Университете Пердью, который не участвовал в исследовании. Однако у этого подхода есть недостатки, поэтому он дополняет, но не заменяет более традиционные методы, такие как построение генеалогических деревьев на основе генетики организмов.
Муньос-Гомес сказал, что, используя методы исследования, исследователи могут в конечном итоге ошибочно идентифицировать виды, которые имеют общие черты с протомитохондриями, из-за конвергентной эволюции, при которой сходные черты развиваются независимо у видов без общего предка.
Лучшее понимание того, как эволюционировали митохондрии, потенциально может помочь нам понять заболевания, при которых нарушается функция митохондрий, например, болезнь Паркинсона, сказал Дельи Эспости. Помимо медицинских применений, изучение происхождения митохондрий может помочь нам понять, как возникла вся сложная жизнь, включая человека.
«Это способ приблизиться к ответу на вопрос, откуда мы в конечном итоге пришли и как мы произошли от наших далеких предков», — сказал Муньос-Гомес.
