Našim biologům se podařil objev prvních eukaryot bez mitochondrií
Mitochondrie, vlastně tehdy “bioblasty”, pozoroval s největší pravděpodobností v buňkách německý lékař Richard Altmann v roce 1890. Od té doby byla učiněna řada pokroků v poznání jejich morfologie a funkcí, jedno však stále nebylo jasné: kde se v buňce tyto relativně autonomní organely vlastně vzaly? Dalším významným milníkem v jejich výzkumu byl proto rok 1967, kdy tehdy 29-ti letá americká bioložka Lynn Margulisová oživila téměř zapomenuté myšlenky z počátku 20. století a publikovala na svou dobu velmi odvážnou teorii o endosymbiotickém původu plastidů a mitochondrií. Její zprvu menšinový názor postupně získával další a další podporu, až se v zhruba se začátkem 90. let minulého století stal hlasem biologického mainstreamu. Analýzy mitochondriální DNA také postupně ukázaly na prapředka všech dnešních mitochondrií, jímž byla podle všeho bakterie příbuzná dnešním alfa-proteobakteriím.
Průběh endosymbiózy jistě nebyl hladký a důležité detaily z průběhu této možná již 1,5 miliardy let staré události lze na základě dnešních buněk velmi špatně odhalit. V rámci endosymbiotické teorie a formování eukaryotické buňky se postupně vyprofilovaly dvě názorové pozice ohledně jejich přibližného scénáře, které mají dnes téměř charakter dvou znepřátelených vědeckých škol. Jedna říká, že mitochondrie byla na samotném počátku eukaryotického života, kdy vznikla chimérická buňka obsahující pre-mitochondrii. Druhá škola tvrdí, že se z archebakterie na počátku vyvinul amitochondriální eukaryot, který při jisté příležitosti pohltil bakterii. Tato linie pak byla natolik úspěšná, že “převálcovala” všechny ostatní a dnes známe už pouze její potomky.
Představa naprosté všudypřítomnosti mitochondrií však nevládla příslušnému vědeckému poli zcela bezvýhradně. Již na počátku 80. let si totiž slavný oxfordský evoluční buněčný biolog Thomas Cavalier-Smith (* 1942) všiml, že existují i eukaryota, která mitochondrie nemají. K takovým patří např. některé skupiny prvoků žijící v bezkyslíkatém prostředí, např. diplomonády, mikrosporidie či archamoeby. Navrhl proto hypotézu, která je známá pod označením “hypotéza Archezoa”. Ta v podstatě říká, že tyto skupiny jsou něco jako živé fosílie, které mitochondrie neztratily, protože je nikdy ani neměly. Od předků všech ostatních eukaryot se oddělily ještě před tím, než u dalších z nich došlo k symbiotické události mezi eukaryotickou “prabuňkou” a bakterií.
Tým protistologie doc. RNDr. Vladimíra Hampla, Ph.D. (zcela vlevo). Pátá zprava hlavní autorka studie publikované v Current Biology Anna Karnkowska.
Tato vlivná teorie si užila několik let slávy, okolo roku 2000 se však karta otočila. Vědcům, kteří se pohybují v oblasti vyšší systematiky, eukaryot začalo být jasné, že žádná primitivní eukaryota, která by nikdy žádnou mitochondrii neměla, neexistují. Postupné analýzy jednotlivých “Archezoí” totiž ukázaly, že jim sice možná chybí mitochondrie, nechybí jim však geny pro proteiny, které podle všech současných znalostí souvisejí výhradně s činností mitochondrií. Když poté byly produkty těchto genů pomocí fluorescence v buňce přímo lokalizovány, ukázalo se, že úplně bez mitochondrií také nejsou. Nemají sice pravé mitochondrie s dvojitou membránou a kristami, mají však drobné organelky (hydrogenozomy, mitozomy), které nebyly v buňce patrné ani s využitím elektronového mikroskopu.
Tyto organely se od klasických mitochondrií liší jak morfologicky, tak funkčně. Např. hydrogenozomy (které byly známé již dříve), sice vyrábějí ATP, ovšem nikoliv na membránách, nýbrž v matrix. Mitozomy, které byly objeveny úplně nově, dokonce ATP nevyrábějí vůbec. Nejlepším vodítkem pro to, že jak hydrogenozomy, tak mitozomy jsou homologické s mitochondriemi je to, že mají v základu velmi podobný aparát na import proteinů. Na rozdíl od mitochondrií však oba tyto typy organel vlastní geny úplně ztratily. Proč se jich tedy buňky postupně nezbavily? Pro jejich zachování i ve velmi redukované podobě stále existuje dobrý důvod! Žádná doposud známá buňka si totiž nedokázala poradit s jedním zásadním problémem, kterým je biologicky významná syntéza jistých typů proteinových kofaktorů ze síry a železa. To je vlastně jakýsi evoluční zvyk nebo chcete-li „past“, protože dnešní eukaryotické buňky, přestože pro to neznáme dobrý důvod, nedokážou řešit tuto syntézu jinak než s pomocí semiautonomních organel.
Přehledný snímek buňky Monocercomonoides kmen PA203 z transmisního elektronového mikroskopu. Autor snímku Naoji Yubuki.
“Zhruba v této situaci jsem se tím začal zabývat já,” říká doc. Vladimír Hampl z katedry parazitologie, který se svým týmem pracuje dnes také v centru BIOCEV. “Bylo to v roce 2001, kdy jsem nastupoval na doktorát. Jako jedno z mých témat bylo podívat se, jak vypadá situace s mitochondriemi u oxymonád. Jde o poměrně málo zajímavou skupinu “prvoků”, které najdeme jako střevní symbionty obratlovců, ale především švábů či termitů, kde zřejmě napomáhají s trávením celulózy,” vysvětluje Hampl.
“Z literatury jsme věděli, že u nich nikdo dosud žádné mitochondrie nepozoroval - to ale nebylo nic tak nečekaného. Chopili jsme se proto metody, která se tehdy pro odhalování skrytých mitochondrií používala - začali jsme Sangerovou metodou sekvenovat transkriptomy, tj.sady genů transkribovaných do mRNA. V těchto transkriptomech jsme vyhledávali sekvence specificky mitochondriálních proteinů - všechny výsledky však byly negativní. Po nástupu sekvenační metody 454 bylo již pokrytí podstatně slušnější - ani poté jsme však žádný signál o přítomnosti mitochondrie nezachytili,” vzpomíná Hampl.
Záporný výsledek byl sice zajímavý, přinesl však hned dva další problémy. První z nich byl ten, jak o vědecké relevanci tohoto zjištění přesvědčit ostatní. Podat důkaz o neexistenci něčeho je totiž z principu nemožné - takový vědec bude vždy podezřelý z toho, že nehledal dostatečně dobře. Druhá věc je možná ještě problematičtější. Nemají-li oxymonády mitochondrie, musely nějak vyřešit syntézu železo-sirných kofaktorů, která je jinak u všech organismů úkolem mitochondrie nebo jejího zástupce.
Schématické znázornění představy o reduktivní evoluci mitochondrií u skupiny Metamonada, kam spadá Monocercomonoides, jeho příbuzný Paratrimastix ale také více známí prvoci jako je Giardia a Trichomonas. Převzato z Karnkowska a kol.
To, že zkoumané oxymonády postrádají mitochondrii, může znamenat buď to, že ji nikdy neměly nebo to, že ji druhotně ztratily. K rozhodnutí tohoto sporu bylo třeba provést komplexní fylogenetickou analýzu. “Náš výzkum není možné interpretovat tak, že jde o organismus, který mitochondrii nikdy neměl. Z jeho postavení ve stromu života vidíme, že jeho blízcí příbuzní mitochondrii mají, byť v podobě hydrogenozomu. Evoluční trend, který se nám takto podařilo zachytit, je tedy spíše redukce mitochondrie díky komenzálnímu životnímu stylu v anaerobním prostředí. Nejbližší příbuzní (jako zástupce jsme si vybrali r. Paratrimastix), také získali geny pro alternativní syntézu železo-sirných klastrů, ale mitochondrii si uchovali. Tito prvoci však nejsou komenzály ani parazity, ale jsou volně žijící.” To, že by právě tento rozdíl v ekologické strategii zapříčinil uchování mitochondrie u r. Paratrimastix však doc. Hampl považuje za nepodloženou spekulaci.
Michal Andrle
Více se dozvíte v článku "A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle" v časopise Current Biology.
Výběr z mediálního ohlasu:
Česká média:
Technet:
http://technet.idnes.cz/prvok-bez-mitochondrii-0vf-/veda.aspx?c=A160506_144626_veda_mla
Lidovky.cz
Týden:
21. století:
http://21stoleti.cz/2016/05/13/organismus-bez-bunecnych-elektraren-i-to-je-mozne/
iHned:
Zahraniční média:
Science Magazine
http://www.sciencemag.org/news/2016/05/first-eukaryotes-found-without-normal-cellular-power-supply?utm_source=newsfromscience&utm_medium=twitter&utm_campaign=noeukaryote-4261
The Scientist
http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/46077/title/Mysterious-Eukaryote-Missing-Mitochondria/
Scientific American podcast
http://www.scientificamerican.com/podcast/episode/microbe-breaks-the-powerhouse-rules/
Washington Post
https://www.washingtonpost.com/news/speaking-of-science/wp/2016/05/12/its-a-whole-new-world-of-weird-stuff-this-strange-cell-could-challenge-a-basic-rule-of-biology/
PNAS blog
http://blog.pnas.org/2016/05/journal-club-rule-breaking-microbe-lacks-mitochondria/
CBC news
http://www.cbc.ca/news/technology/mitochondria-eukaryote-1.3579238
Physorg
http://phys.org/news/2016-05-eukaryote-lacks-mitochondria.html
Science Daily
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160512124908.htm
Science News
https://www.sciencenews.org/article/gut-microbe-may-challenge-textbook-complex-cells
DAILY Mail Online
Kompletní přehled mediálního ohlasu naleznete ZDE.
Metriku ohlasu ve vědeckých kruzích naleznete ZDE
Článek je volně přístupný ZDE.
Akce dokumentů