Vi khuẩn cộng sinh thay thế con sâu biển với các cơ quan tiêu hóa và các cơ quan bài tiết • Alexander Markov • Tin khoa học về “Yếu tố” • Di truyền học

Vi khuẩn symbionts thay thế giun biển tiêu hóa cơ quan tiêu hóa và bài tiết

Sâu biển độc đáo Olavius ​​algarvensisgiao phó việc nuôi dưỡng và xử lý chất thải cho vi khuẩn cộng sinh (ảnh từ www.mpi-bremen.de)

Sâu biển Olavius ​​algarvensis Nó không có hệ thống tiêu hóa hay bài tiết. Khi nó bật ra, symbionts sống dưới vỏ bọc bên ngoài của nó – bốn loại vi khuẩn. Chúng không chỉ cung cấp sâu và lẫn nhau với mọi thứ chúng cần, mà còn thải bỏ các chất thải của sâu, cho phép nó hoạt động mà không có hệ thống bài tiết. Một siêu sinh vật độc đáo được hình thành bởi năm loài sinh vật, nhờ vào một hệ thống hợp tác sinh hóa phức tạp, có thể sống trong điều kiện mà không có thành phần nào của nó tồn tại một mình.

Một khi cộng sinh được coi là một hiện tượng tương đối hiếm – thay vì tò mò hơn là một quy tắc. Việc phát hiện ra bản chất cộng sinh của các địa y vào những năm 70 của thế kỷ XIX đã khiến các nhà khoa học ngạc nhiên (không cần phải nói, những điều kỳ quặc nào có ở đó với Mẹ Thiên nhiên!). Kể từ đó, nhiều thứ đã thay đổi. Đã có từ đầu thế kỷ 20, một số nhà tư tưởng xuất sắc cho rằng cộng sinh và hợp tác có thể đóng một vai trò rất lớn trong sự phát triển của cuộc sống trên trái đất. Mặc dù phương pháp tiếp cận "sinh vật làm trung tâm" trong sinh học vẫn thống trị, ngày nay các nhà khoa học hiểu rõ rằng một "sinh vật tự trị" thực sựhình thành và sống mà không có bất kỳ sự tham gia của bất kỳ symbionts, nó vẫn còn cần thiết để tìm kiếm trong tự nhiên. Hầu hết những sinh vật sống trên hành tinh này thực sự là "siêu sinh vật" – phức hợp cộng sinh phức tạp.

Con người không là ngoại lệ. Mỗi tế bào của chúng ta nhận được năng lượng cần thiết từ ti thể, hậu duệ của vi khuẩn cộng sinh. Chúng tôi đã nhận được nhiều gen từ virus, tất cả các phân đoạn DNA “ích kỷ” và các yếu tố di truyền di động, chẳng hạn như transposon (xem động vật có vú cổ bị nhiễm nhau thai, Elements, ngày 15 tháng 12 năm 2005). Introns – chèn không mã hóa, có mặt trong hầu hết các gen của chúng ta và ảnh hưởng đến hoạt động của chúng, cũng có thể là hậu duệ của các phần tử di động một lần được “thuần hóa” bởi tổ tiên chúng ta. Sự trao đổi chất của chúng ta chủ yếu được xác định bởi rất nhiều vi khuẩn tạo nên hệ thực vật đường ruột. Và ngay cả khi bạn nhìn vào bên trong bất kỳ vi khuẩn nào, thì ở đó chúng ta sẽ tìm thấy những thành viên chung của các cộng sinh (plasmid, phages, transposons).

Khi một mối quan hệ cộng sinh phát triển, một sự cộng sinh hoàn toàn có thể mất đi sự độc lập của nó và trở thành một phần không thể tách rời của chủ nhân của nó (tuy nhiên, nó phải được thừa nhậnđồng thời, chủ sở hữu mất độc lập và không còn là “sinh vật tự trị” nữa.

Một bước đột phá lớn khác trong nghiên cứu về các phức hợp cộng sinh tự nhiên xuất hiện ngày nay liên quan đến sự phát triển của phương pháp "phân tích metagenomic". Bản chất của phương pháp là trong sự cô lập hoàn toàn từ mẫu (ví dụ, từ các mô của một động vật hoặc từ các nội dung của ruột) của tất cả các phân tử DNA bị bắt. DNA được giải trình tự (các trình tự nucleotide được xác định) và từ các trình tự này, chúng xác định sinh vật nào có mặt trong mẫu. Một lợi thế quan trọng của phương pháp này là nó cho phép phát hiện và mô tả các vi khuẩn không thể trồng trong phòng thí nghiệm (và hầu hết các vi khuẩn này). Cơ sở dữ liệu di truyền ngày nay đã đủ đại diện, do đó, bởi một tập hợp các gen phân lập từ một mẫu, có thể xác định sinh vật nào có mặt trong mẫu, ngay cả khi những sinh vật này vẫn chưa được biết đến với khoa học. So sánh các gen được tìm thấy với những gen đã biết, người ta có thể tìm ra không chỉ người thân của họ là những sinh vật này, mà còn là cách họ sống và những gì họ hít thở.

Các yếu tố đã viết về kết quả phân tích metagenomic về nội dung của ruột người (xemHệ vi sinh đường ruột biến một người thành một siêu sinh vật, “Yếu tố”, 9.06.2006). Thậm chí nhiều kết quả giật gân được xuất bản gần đây trên trang web của tạp chí Thiên nhiên một nhóm lớn các nhà khoa học từ Hoa Kỳ và Đức, những người đã có thể phát hiện và “giải mã”, có thể với sự giúp đỡ của phân tích metagenomic, hệ thống cộng sinh đáng ngạc nhiên nhất của tất cả được biết đến nay.

Vật thể là một con sâu cổ nhỏ. Olavius ​​algarvensissống ở Địa Trung Hải. Con sâu này là thú vị chủ yếu bởi vì nó không có miệng, cũng không phải ruột, cũng không phải hậu môn, cũng không phải Nephridians – cơ quan bài tiết. Một số loài giun biển khác cũng học được cách làm mà không có các cơ quan tiêu hóa: ví dụ, ruột của pogonophores biến thành dây chứa vi khuẩn cộng sinh làm ôxy hóa hydrogen sulfide hoặc mêtan (xem Để sống, giun biển sâu bị nhiễm vi khuẩn tốt, Elements, 05.23.2006). Do đó, nó có thể được mong đợi rằng Olavius ​​algarvensis sự vắng mặt của ruột được bù đắp bởi sự hiện diện của một số vi khuẩn cộng sinh cung cấp vật chủ của chúng với thức ăn để đổi lấy một cuộc sống vô tư trong cơ thể nước ngoài. Tuy nhiên, việc giảm hệ thống bài tiết là một hiện tượng chưa từng có đối với giun tròn.Vi khuẩn cộng sinh có quản lý để thay thế giun không chỉ với các cơ quan tiêu hóa mà còn với các cơ quan bài tiết không? Tất nhiên, trường hợp này xứng đáng được kiểm tra chặt chẽ.

Phân tích Metagenomic cho thấy sự hiện diện của bốn loài vi khuẩn cộng sinh trong cơ thể của sâu, hai trong số đó thuộc về nhóm gamma proteobacteria, và hai loài khác thuộc về proteobacteria delta. Cả gamma-proteobacteria, bộ gen của chúng gần như được tái tạo hoàn toàn, là các chất tự dưỡng, có nghĩa là chúng tổng hợp các chất hữu cơ từ carbon dioxide. Năng lượng cần thiết cho điều này thu được bằng quá trình oxy hóa sulfide (S)2-). Oxy được sử dụng như một chất oxy hóa, và trong trường hợp không có oxy – nitrat (xem. Nếu không có oxy, bạn có thể hít nitrat, “Các nguyên tố”, 12.09.2006). Nếu không có nitrat trong tay, một số chất hữu cơ có thể phục vụ như một tác nhân oxy hóa. Là sản phẩm cuối cùng của hoạt động quan trọng, các vi khuẩn này tiết ra các hợp chất lưu huỳnh bị oxy hóa (ví dụ, sunfat).

Delta-proteobacteria cũng hóa ra là chất tự dưỡng, nhưng thuộc loại khác, cụ thể là sulfate-reducers. Chúng thu được năng lượng bằng cách giảm sulfate (hoặc các hợp chất lưu huỳnh bị oxy hóa khác) thành sulfua.Do đó, sự trao đổi chất của gamma và các hợp chất proteobacterium đồng hóa hóa ra là bổ sung: chất thải của thức ăn đầu tiên đóng vai trò là thức ăn cho thứ hai, và ngược lại.

Cộng sinh proteobacteria cộng sinh có thể sử dụng phân tử hydro như một chất khử (một nhà tài trợ điện tử cần thiết để giảm sulfate). Trong bộ gen của chúng có các gen của các enzym – hydroase, cần thiết cho công việc với hydro phân tử. Có thể (mặc dù nó không thể chứng minh chắc chắn) rằng các gamma proteobacterial symbionts tạo ra một số H2 trong quá trình của cuộc sống của họ và, do đó, cung cấp các proteobacteria delta không chỉ oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh, mà còn là một chất khử.

Các vi khuẩn gây bệnh không sống trong các mô sâu, nhưng trực tiếp dưới vỏ ngoài (lớp biểu bì) của giun. Ở đây họ dẫn đầu cuộc sống vi khuẩn kỳ lạ của họ, trao đổi các sản phẩm của sự trao đổi chất của họ với nhau. Mọi thứ khác mà họ có thể thiếu, họ nhận được từ môi trường – về cơ bản họ là những chất thấm từ nước biển dưới lớp biểu bì của chủ sở hữu. Vi khuẩn nhân lên, và các tế bào biểu mô của giun trong khi từ từ nuốt chúng và tiêu hóa chúng.Nguồn thức ăn này rõ ràng là đủ cho sâu để tránh sự khó chịu do thiếu miệng và ruột.

Nhưng làm thế nào để một con sâu quản lý mà không có hệ thống bài tiết? Nó chỉ ra rằng các gen của vi khuẩn-symbionts chứa gen của protein đảm bảo sự hấp thu và sử dụng urê, amoni và "chất thải" khác của giun. Những chất này phục vụ vi khuẩn như các nguồn nitơ có giá trị.

Rõ ràng, con sâu máy chủ hoàn toàn phụ thuộc vào các symbiont của nó và không thể sống thiếu chúng. Vi khuẩn có thể làm mà không có sâu? Đánh giá bởi cấu trúc bộ gen của họ, nó là rất có thể. Các bộ gen của vi khuẩn đã hoàn toàn chuyển sang lối sống ký sinh hoặc cộng sinh thường được đơn giản hóa. Đặc biệt, các gen cần thiết để tổng hợp các chất nhất định (ví dụ, các axit amin) có thể được mượn từ vật chủ biến mất hoặc phân hủy trong chúng. Không có gì giống như thế này được quan sát thấy trong các symbionts worm. Olavius ​​algarvensis.

Có lẽ lợi ích chính mà vi khuẩn nhận được từ việc sống với một con sâu là nó là điện thoại di động và có thể leo, khi cần thiết, nơi mà các điều kiện môi trường thuận lợi nhất cho toàn bộ công ty trung thực.Ở các tầng trên của trầm tích, nơi có rất ít oxy, nhưng không có sulphides, gamma proteobacteria có thể nhận được các sunfua mà chúng cần từ các đối tượng sống chung của chúng, đồng vị proteobacteria. Trong trường hợp này, sulphide sẽ bị oxy hóa bởi oxy – tác nhân oxy hóa mạnh nhất và có lợi nhuận cao. Tuy nhiên, với số lượng lớn, oxy có hại cho các thuốc giảm sulfat – proteobacteria đồng bằng.

Nếu sâu đào sâu hơn, nó sẽ rơi vào những lớp không có oxy. Ở đây, gamma-proteobacteria sẽ sử dụng nitrat như một tác nhân oxy hóa, mà ít có lợi hơn, nhưng chúng sẽ có nhiều sunphít, bởi vì oxy sẽ không còn ức chế hoạt động của delta-proteobacteria nữa.

Cuối cùng, thậm chí ở các lớp trầm tích sâu hơn, không chỉ có oxy, mà còn là nitrat, gamma proteobacteria có thể sử dụng một số chất hữu cơ làm chất oxy hóa, bao gồm trimethylamine-N-oxit (được ký bởi worm-host) và fumarate (được sản xuất bởi -proteobacteria). Đồng thời, lưu huỳnh (như một sản phẩm của quá trình oxy hóa không hoàn toàn của sulfide) được lưu trữ trong các tế bào của một trong hai loại gamma proteobacteria, có thể bị oxy hóa sau đó, khi sâu thu thập các chất oxy hóa mạnh hơn và cao hơn.Các succinate được tiết ra bởi gamma-proteobacteria trong quá trình hô hấp fumarate dễ dàng được sử dụng bởi delta-proteobacteria, và như vậy: các nhà nghiên cứu đã xác định được một số cơ chế hợp tác sinh hóa có thể có trong phức hợp cộng sinh tuyệt vời này.

Vì vậy, năm loại sinh vật, thống nhất, trở thành một "siêu sinh vật" phổ quát có khả năng sống trong nhiều điều kiện – bao gồm cả nơi không có "thành phần" của nó sẽ sống sót một mình.

Nguồn: Woyke et al. Cộng sinh hiểu biết thông qua vi khuẩn liên hiệp // Thiên nhiên. Ngày 17 tháng 9 năm 2006. Ấn phẩm trực tuyến nâng cao (doi: 10.1038 / nature05192).

Xem thêm:
Cộng sinh và quá trình hợp tác trong tiến hóa.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: