Zachar István: Sejtjeink kétmilliárd éves ősei lehettek a földi élet legsikeresebb farmerei

Zachar István, Szilágyi András, Számadó Szabolcs és Szathmáry Eörs PNAS-ben megjelent tanulmánya szerint elképzelhető, hogy a mai összetett földi életformák annak köszönhetik létezésüket, hogy nagyjából kétmilliárd éve egy baktérium úgy „háziasította” a mitokondrium ősét, ahogyan például az ember a sertést.

A minket körülvevő, közvetlenül megfigyelhető élet szinte kivétel nélkül sejtmagvas sejtekből, vagyis eukariótákból áll. A biomassza nagyobbik részét mégis a sokkal egyszerűbb prokarióták (sejtmag nélküli baktériumok és hozzájuk hasonlóan egyszerű felépítésű archeák) alkotják. Az egyik legnehezebbnek tartott nagy evolúciós átmenet az eukarióták kialakulása volt a prokarióta ősökből, nagyjából 2 milliárd éve.

Annyit biztosan tudunk, hogy az átmenet során egy archea- és egy baktériumfaj olyan szoros szimbiózisra lépett, hogy a baktérium véglegesen bekerült a gazda archaeába. Az összeolvadás eredményeképpen jött létre a később rendkívül sikeres (és soha meg nem ismételt) eukarióta sejtvonal, a bekebelezett szimbionta baktériumból pedig sejtszervecske lett: a mitokondrium. A mitokondriumok megőriztek bizonyos mértékű önállóságot, azonban ma már képtelenek a sejteken kívül, magukban túlélni. Ugyanakkor az eukarióta sejtek számára is létfontosságú a mitokondriumok jelenléte: tápanyagokért és stabil otthonért cserébe bőséges mennyiségű energiát termelnek a gazdasejt számára ATP- (adenozin-trifoszfát) molekulák formájában.

Olajozott rendszer, hiányos magyarázatok

Ez egy tökéletesnek tűnő partnerkapcsolat, azonban genetikai vizsgálatokból ismert, hogy a mitokondriumok energiájának „megcsapolásáért” felelős fehérjét a gazdasejt csak jóval az összeolvadás után (a becslések szerint több millió év alatt) fejlesztette ki.

Mivel fosszíliák híján igen kevés konkrétumot tudunk erről az evolúciós folyamatról, leginkább elméletek versengenek egymással. Egyesek szerint a mitokondrium őse inkább a gazdasejten élősködő parazita volt, mások szerint a gazda volt az, amely kihasználta a mitokondrium ősét azzal, hogy vadászott rá, és megette. Mindkét esetben nehéz azonban megmagyarázni, hogy az egyoldalú kapcsolat miként tudott stabilan fennmaradni olyan hosszú ideig, amíg az „energiacsapoló” fehérje kifejlődött.

Az első igazi gazdálkodók

Zachar István és kutatótársai tanulmányukban egy harmadik hipotézist vizsgáltak, mely szerint rejtett előnyök stabilizálhatták a kezdeti előnytelen kapcsolatot. Ezt a „gazdálkodó” (farming) hipotézist több mint húsz éve fogalmazta meg John Maynard Smith és Szathmáry Eörs. Eszerint a gazdasejt ragadozó volt, amely rendszeresen fogyasztott más baktériumokat, köztük a mitokondrium akkor még szabadon élő ősét is. Azonban valamilyen oknál fogva a gazda nem emésztette meg az összes elfogott baktériumot: amelyek túlélték a bekebelezést, élve tengődtek a gazdán belül (pl. mert fotoszintetizáltak), esetleg még szaporodni is képesek voltak. Vagyis a gazdasejt valódi gazdálkodóként úgy tartotta a baktériumokat, ahogy az ember tartja a sertést (vagy a borsót, ha a fotoszintézisnél maradunk). Amennyiben a környezetben elfogyott a zsákmány, az ilyenkor éhező gazdának előnyös lehetett, ha volt saját tartaléka, amivel túlélhette a szűkös időket – ezáltal evolúciós előnybe került azokhoz a sejttípusokhoz képest, amelyek nem rendelkeztek a gazdálkodás képességével.

A PNAS-ben nemrég megjelent tanulmány szerzői evolúciós-ökológiai modellek segítségével mutatták be, hogy ez az előny elegendő ahhoz, hogy ökológiai időskálán a gazdálkodás képessége kiszorítsa az e képességgel nem rendelkező egyedeket, illetve hogy evolúciós időskálán a gazdálkodás képessége kialakuljon és elterjedjen a populációban. Ráadásul a gazdálkodók mindig stabilnak bizonyultak a mutációkkal rendre felbukkanó, gazdálkodásra képtelen típusokkal szemben. A gazdálkodás lényege, hogy a jó időszakban egy kis befektetéssel (amit a gazda későbbre eltesz, azt nem tudja most megenni) csökkenthető a hosszú távú veszteség vagy akár a kihalás kockázata is. Egyszerűen összefoglalva: jobb ma és holnap is egy-egy veréb, mint ma egy túzok és holnap az éhhalál. Ez a trükk nemcsak a mitokondrium megjelenésénél lehetett hasznos, de további endoszimbiózisokat is megmagyarázhat, például a plasztiszok, azaz a zöld színtestek eredetét.

http://www.pnas.org/content/early/2018/01/29/1718707115

A kutatást az NKFIH (PD112788, K119347, K124438), a GINOP-2.3.2-15-2016-00057 „Az evolúció fényében: elvek és megoldások”, az Európai Kutatási Tanács (ERC Horizon 2020 648693) és a Volkswagen Stiftung támogatta.

A közlemény megjelent: http://mta.hu/tudomany_hirei/sejtjeink-ketmilliard-eves-osei-lehettek-a-foldi-elet-legsikeresebb-farmerei-108521