Vědci stvořili „hybrida“ bakterie a archea. Co nám může říct o evoluci?

Autor: Jan Toman

Nizozemským vědcům se podařilo zmanipulovat bakterie, aby do své cytoplazmatické membrány zakomponovaly fosfolipidy charakteristické pro skupinu archea. „Hybrid“ těchto dvou hlubokých větví pozemského stromu života posléze umožnil vědcům nahlédnout, jak mohl vypadat a fungovat společný předek všech dnešních organismů.

Experimenty jako z vědeckofantastického filmu se neodehrávají každý den. Projekt, o kterém referují nizozemští mikrobiologové v odborném časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences, by ale nezapadl ani na stříbrném plátně. Představte si, že by vědci vytvořili třeba krávu, která by měla místo srsti peří a zároveň mohla úspěšně přežívat v rozpálených pouštích. Nizozemským vědcům se podařilo něco podobného, ale ještě senzačnějšího. Posuďte sami – obyčejnou bakterii Escherichia coli geneticky modifikovali takovým způsobem, aby do své cytoplazmatické membrány (tj. vnějšího obalu buňky) vytvořila a následně zakomponovala fosfolipidy, které se jinak vyskytují pouze v membránách archeí. Archea jsou bakteriím sice podobné, ale zcela nepříbuzné jednobuněčné organismy. Radikálnější zásah si tak skoro nelze představit. Vědci navíc uspěli takovým způsobem, že archeální fosfolipidy nahradily takřka třetinu bakteriálních složek. Shodou šťastných náhod tak stvořili organismus, jehož buněčný obal odpovídá stavu, který podle mnoha badatelů panoval u společného předka všech dnešních organismů. Následné experimenty vyvrátily řadu zažitých teorií, kterými vědci rané fáze pozemské evoluce opentlili. Vyšlo například najevo, že je nová membrána prakticky ve všech ohledech odolnější než membrána bakteriální. Těžko tak mohlo dojít k rozdělení dvou základních větví života právě kvůli nestabilitě složeného obalu, jak praví jedna z oblíbených hypotéz. Konkrétní modifikace, které autoři studie použili, a poznatky o fungování bakteriální fyziologie, které získali, navíc jistě naleznou uplatnění i v praxi – například při bioinženýrství.

Všechny organismy, které dnes žijí na Zemi, spadají do jedné ze tří hlavních větví pomyslného stromu života. První z těchto tří hlavních linií jsou klasické bakterie, které dobře známe jako užitečné symbionty, nebezpečné patogeny i základní kameny všech pozemských ekosystémů. Druhou větev tvoří takzvaná archea, organismy jednoduchou stavbou buňky a malými rozměry podobné bakteriím, ale příbuznější spíše nám. Všechny složité mnohobuněčné organismy a prvoci potom spadají do poslední skupiny zvané eukaryota. Eukaryotické organismy se mohou chlubit velkou složitou buňkou. Ta ovšem vznikla spojením archeální buňky s bakterií, dávným předkem dnešní „buněčné elektrárny“ mitochondrie, a téměř jistě vznikla až dlouhou dobu po rozdělení prvních dvou skupin.

Podle převládajícího názoru tak společný předek všech dnešních organismů těsně předcházel rozštěpení na bakterie a archea. Jedním z nejpodstatnějších rozdílů mezi těmito dvěma skupinami je stavba cytoplazmatické membrány. Zatímco bakteriální (a také eukaryotická – to nás však nyní nemusí zajímat) membrána sestává z nevětvených řetězců mastných kyselin vázaných esterovou vazbou na D-glycerol, archeální buněčné obaly sestávají z větvených izoprenových řetězců vázaných etherovou vazbou na L-glycerol.

Mezi oběma typy membrán panují značné rozdíly a my z přírody neznáme žádné přechodné stavy. Přesto se zdá celkem pravděpodobné, že společný předek bakterií a archeí měl cytoplazmatickou membránou zahrnující oba typy molekul. Takový stav ale nemusel být příliš stabilní. Nebo to alespoň naznačují různé teoretické úvahy. Jedna z teorií, proč k rozdělení na dvě odlišné linie došlo, proto říká, že některé z buněk kvůli odolnosti postupně „očesaly“ cytoplazmatickou membránu jen na dnešní bakteriální typ, zatímco ty zbývající na typ archeální.

Escherichia coli nemodifikovaná (A) a modifikovaná (B) k vytváření a zapojování archeálních fosfolipidů do své cytoplazmatické membrány. V prvním řádku (I) vidíme změny tvaru buněk, v druhém (II) změny povrchu spojené s odškrcováním váčků a odchylky při buněčném dělení. Podle Caforio et al. 2018.

Možnosti, že společný předek všech dnešních organismů měl cytoplazmatickou membránou a že tato membrána mohla sestávat z dnešních bakteriálních i archeálních složek, nasvědčuje řada molekulárně-biologických dokladů. Ve prospěch hypotézy o nestabilitě složené membrány ale příliš nemluví laboratorní experimenty, které už dříve naznačily, že tato sestava je vcelku stabilní. Žádný z dřívějších molekulárně-biologických projektů však nedokázal bakterie přinutit k syntéze a zakomponování více než jednoho procenta archeálních složek. Celá otázka tak zůstávala otevřená.

V rámci nového experimentu se biologům podařilo sérií přesně mířených genových manipulací v bakterii E. coli vybudovat funkční biosyntetickou dráhu pro vytváření archeálních fosfolipidů cytoplazmatické membrány. Na tomto místě je patrně zbytečné rozebírat jednotlivé vložené geny a jejich skupiny či důmyslné zásahy do přepisování genů již přítomných. Detaily by ostatně nebiologům (ale i většině biologů) neřekly více než zaklínadla černé magie. Za zmínku však rozhodně stojí výsledek – takřka třicetiprocentní obsah typicky archeálních složek v buněčném obalu bakterie.

Podobně výrazný úspěch dost možná nečekali ani sami autoři. Umožnila jej však univerzálnost mnoha enzymů bakteriálních biosyntetických drah spojená s notnou dávkou štěstí při výběru metod, prostředků i experimentálního organismu. V každém případě mohli výzkumníci na hybridní membráně ověřit hypotézu o její předpokládané nestabilitě.

Zde jim „hybrid“ přinesl snad největší překvapení. Nejen, že se složená membrána hned nerozpadala, ale za všech podmínek vykazovala naopak vyšší stabilitu než klasická cytoplazmatická membrána E. coli. Modifikované bakterie díky tomu přežívaly ve srovnání s příbuznými za vyšších i nižších teplot. Kromě toho byly odolnější k organickému rozpouštědlu butanolu. Na anekdotickém pozorování, že si archea libují v extrémních podmínkách, tak patrně bude notná dávka pravdy. Třebaže nalezneme i řadu jejich „normálních“ zástupců, archeální fosfolipidy prokazatelně zvyšují za extrémních podmínek odolnost membrán.

Co se týče dalších rozdílů, modifikovaným bakteriím trvalo zhruba 16 hodin, než se začaly výrazněji množit. Tato „přestávka“ by nás ale vzhledem k výraznému zásahu do fungování bakteriální buňky asi neměla překvapovat. Důležitější je, že jakmile buněčný cyklus znovu „naběhl“, pozměněné bakterie se dělily takřka stejnou rychlostí jako jejich nemodifikované příbuzné. Změny se projevily také na vzhledu buněk. Modifikované E. coli se pod elektronovým mikroskopem ukázaly jako protáhlejší. Opravdu silná indukce syntézy archeálních fosfolipidů potom vedla k výrazným změnám, tvorbě laločnatých výrůstků a jejich odtrhávání. Jak se ale posléze ukázalo, tyto výrůstky obsahovaly jak archeální, tak bakteriální složky. Ani za těchto podmínek se tudíž dvě složky neoddělovaly.

Raná evoluce buněčných organismů na Zemi tak byla patrně ještě zamotanější, než předpokládají dnešní populární hypotézy. E. coli s hybridní membránou nám nicméně pomohou otestovat i další teorie. Zatím se můžeme jen dohadovat, kam poznatky nabyté jejich studiem povedou. Rozhodně však mohou najít uplatnění i v praxi, třeba při vytváření jednobuněčných organismů s vlastnostmi šitými „na míru“ různým biomedicínským nebo průmyslovým odvětvím. V neposlední řadě potom úspěšná komplexní změna jednobuněčného organismu otevírá dveře dalším, třeba ještě ambicióznějším, modifikacím.

Zdroj: Caforio A, Siliakus MF, Exterkate M, … & van der Oost J (2018): Converting Escherichia coli into an archaebacterium with a hybrid heterochiral membrane. Proceedings of the National Academy of Sciences of the united States of America, 115.

Facebook Comments