Бактериите пренастройват механизъм, разделящ ДНК, за да оформят клетките

Древните бактерии са пренаредили ДНК система в контролиращ формата си "скелет" – ярък пример за креативността на еволюцията.

Цианобактериите – древни микроби, които са насищали Земята с кислород и са направили възможен сложния живот – все още разкриват изненади милиарди години по-късно. Учени наскоро откриват, че молекулярна система, използвана някога за разделяне на ДНК, е преобразувана в нещо съвсем различно: структура, която оформя самата клетка.

Фотосинтезиращите бактерии са изиграли основна роля във формирането на Земята, каквато я познаваме. Сред тях цианобактериите се открояват с производството на кислород, който е изпълнил нашата атмосфера и е позволил появата на сложен живот.

Сега учени от Института за наука и технологии Австрия (ISTA) са открили изненадващ обрат в начина, по който функционират тези организми. Биологична система, за която някога се е смятало, че разделя ДНК, вместо това е еволюирала, за да контролира формата на цианобактериалните клетки. Констатациите, публикувани в Science, предлагат нова представа за това как протеиновите системи се променят с течение на времето и как се е развил многоклетъчният живот в тези екологично важни бактерии.

"Цианобактериите са по същество пионери на кислородната фотосинтеза", казва Бенджамин Спрингщайн (Benjamin Springstein), постдокторант в групата Loose в Института за наука и технологии на Австрия (ISTA).

"Те са отговорни за събитието "Кислородната катастрофа" (Great Oxidation Event) преди около 2,5 милиарда години, когато кислородът се е натрупал в атмосферата и е направил аеробния (дишащия кислород) живот възможен. Без тях може спокойно да се каже, че никой от нас нямаше да е тук днес."

Дори днес цианобактериите са от съществено значение за живота на Земята. Те допринасят значително за глобалната биомаса и играят централна роля във въглеродния и азотния цикъл. Тези организми са силно адаптивни, живеят в екстремни условия, вариращи от горещи извори до Арктика, както и върху повърхности като покриви и стени в градовете.

Един вид по-специално, Anabaena sp. PCC 7120 (или просто Anabaena), е изучаван повече от три десетилетия и служи като модел за разбиране на многоклетъчните цианобактерии.

ДНК в бактериите: Обяснение

Екипът на Спрингщайн е открил, че Anabaena, и вероятно други многоклетъчни цианобактерии, са претърпели голяма еволюционна промяна. Древна система, използвана някога за разделяне на ДНК по време на клетъчното делене, е преобразувана в структура, подобна на цитоскелет, която помага за определяне на формата на клетката.

Както всички бактерии, Anabaena се размножава чрез делене на нови клетки. Този процес зависи от точното копиране и разпределение на ДНК, така че всяка нова клетка да получи генетичната информация, от която се нуждае, за да оцелее. ДНК е плътно опакована в хромозоми, подобно на нишка, навита около макара, и често присъства в множество копия, които трябва да бъдат надеждно предадени по време на деленето.

Бактериалната ДНК има в две основни форми.

Схема на бактерия, показваща хромозомна ДНК и плазмиди. Плазмидите са малки, извънхромозомни ДНК молекули в клетките на бактерии и археи. Плазмидите са физически отделени от хромозомната ДНК и могат да се репликират независимо. Кредит: Wikimedia Commons

Хромозомите съдържат основни гени, необходими за оцеляване, докато плазмидите носят допълнителни гени, които често не са необходими. Плазмидите могат да се местят между бактериите, което позволява на характеристиките да се разпространяват бързо и да се осъществява бърза адаптация.

Система за разделяне на ДНК с нова роля

Спрингщайн изучава Anabaena от 2014 г., изследвайки нейната биология и еволюция. По време на пандемията от COVID-19, когато лабораторната работа е била преустановена, той прекарва време в преглед на научна литература и забелязва нещо неочаквано.

Той открива, че Anabaena и някои сродни цианобактерии съдържат система, наречена ParMR, кодирана в техните хромозоми. Традиционно тази система е свързана с разделянето на плазмидите и е била откривана само при плазмиди, които са мобилни генетични елементи. Това необичайно разположение го накара да заподозре, че системата може да се е адаптирала към разделяне на хромозомите.

След като се присъединява към ISTA, Спрингщайн се заема да тества тази идея. Неговите експерименти разкриват нещо много различно. Един компонент, ParR, вече не се свързва с ДНК. Вместо това, той се прикрепя към липидните мембрани, особено към вътрешната мембрана на клетката. В същото време ParM не образува структури в цитоплазмата, за да премества ДНК. Вместо това, той създава мрежи от нишки точно под вътрешната мембрана, образувайки слой от протеинови полимери, който наподобява клетъчна кора.

Вместо да действа като типична система за разделяне на ДНК, която образува вретеновидни структури във вътрешността на клетката, тази система работи на мембранно ниво и изглежда организира клетъчната структура.

Филаменти, които се държат като клетъчен скелет

За да разберат по-добре как работи тази система, изследователите я пресъздават извън живите клетки, използвайки пречистени компоненти. В тези експерименти за възстановяване in vitro те наблюдават, че филаментите показват динамична нестабилност. Те растат и след това бързо се свиват, поведение, подобно на микротубулите в по-сложни клетки.

Използвайки криоелектронна микроскопия, която позволява на учените да виждат молекулярните структури в големи детайли, те изследваха как са изградени тези нишки. Те откриват, че за разлика от полярните нишки, образувани от подобни системи в други бактерии, нишките в Anabaena са биполярни, което означава, че могат да растат и да се свиват от двата края.

Загубата на системата променя формата на клетката

Истинската функция на тази система става ясна, когато тя е отстранена от живите клетки.

"Клетките, на които липсва тази система, губят нормалната си правоъгълна клетъчна форма и вместо това стават кръгли и издути", обяснява Спрингщайн.

Този вид промени обикновено се наблюдават, когато гените, отговорни за поддържането на клетъчната форма, са нарушени в други бактерии. Това категорично подсказва, че основната роля на системата е да контролира клетъчната структура, а не да управлява разделенето на ДНК.

Предвид новата ѝ функция и местоположение в клетката, изследователите преименували системата на "CorMR".

Как еволюцията преобразява една древна система

Многоклетъчните цианобактерии са еволюирали постепенно от едноклетъчни предци, като с течение на времето са придобивали все по-голяма сложност.

Как е възникнала системата CorMR?

Трансформацията не се е случила наведнъж, а вероятно е станала чрез поредица от промени. Първо, системата се е преместила от плазмид в хромозома. След това, нейните компоненти са се променили по размер и структура. След това е развила способността да се свързва с клетъчните мембрани. Накрая е попаднала под контрола на допълнителна протеинова система.

Заедно тези стъпки са превърнали древен механизъм за разделяне на ДНК в система, която оформя самата клетка, предлагайки поразителен пример за това как еволюцията може да даде на стари биологични инструменти изцяло нови цели.

Справка: Benjamin L. Springstein, Manjunath G. Javoor, Daniela Megrian, Roman Hajdu, Dustin M. Hanke, Bettina Zens, Gregor L. Weiss, Florian K. M. Schur, Martin Loose. Repurposing of a DNA segregation machinery into a cytoskeletal system controlling cell shape. Science, 2026; 392 (6795) DOI: 10.1126/science.aea6343

Източник: Scientists stunned as bacteria rewire DNA machinery to shape cells,  Institute of Science and Technology Austria

Още по темата

31/03/2025

Животът

Животът отмества квантовите граници. Каква е изчислителната мощ на аневралния живот

07/05/2024

Медицина

Клетките имат скрита комуникационна система, независима от ДНК, показва ново проучване

23/06/2023

Медицина

Микроби, обитаващи тумора: Изненадваща нова граница в лечението на рака

20/06/2022

Животът

Водеща теория за квантовия произход на съзнанието не бе потвърдена