«Одной из величайших загадок биологии, — говорит Эрик Либби, бывший научный сотрудник SFI, а ныне доцент Интегрированной научной лаборатории (IceLab) Университета Умео в Швеции, — является эукариогенез, или как возникли эукариоты». Ученые считают это периодом крупного эволюционного перехода, имеющего решающее значение для нашего понимания истории и эволюции жизни на Земле.

В новом исследовании, опубликованном 21 апреля 2023 года в PNAS, Либби работала с профессором SFI Кристофером Кемпесом и Джорданом Оки из Университета штата Аризона, чтобы раскрыть тайну, сосредоточившись на метаболизме с использованием различных теоретических методов.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что эукариоты образовались, когда два прокариота — бактерия и архея — слились с бактериями, поселившимися в клеточных стенках архей. Это совместное существование одной клетки внутри другой, эндосимбиотическое существование, привело к появлению всего разнообразия эукариот, включая всю сложную жизнь, такую ​​как мы. Сегодня ученые видят следы эндосимбиоза внутри клеток современных эукариот, от млекопитающих и птиц до растений и грибов; клеточные органеллы, такие как митохондрии и хлоропласты, когда-то были отдельными организмами. Тем не менее, когда мы смотрим в природу, эндосимбиозы редко встречаются у прокариот.

Почему? Эволюционные биологи еще не знают. Существует множество теорий, но лишь немногие из них были смоделированы или оценены количественно.

«Обмен веществ — фундаментальная проблема, — говорит Либби. «Если одна клетка поглощает другую, могут ли обе расти? Могут ли они конкурировать в популяции с другими клетками, которым не нужно поддерживать две клетки?»

Исследовательская группа использовала три большие базы данных с моделями полных геномов различных прокариот для проверки трех эволюционных стадий, которые могут ограничивать эндосимбиоз: жизнеспособность, постоянство и эволюционируемость.

Первый метаболический вопрос — жизнеспособность — спрашивает, могут ли оба организма в эндосимбиозе получить доступ к ресурсам, необходимым им для выживания. Насколько сложно эндосимбионту — индивидууму, живущему внутри, — получить доступ ко всему, что ему нужно, изнутри клетки-хозяина ?

«Как оказалось, это довольно просто», — говорит Кемпес. «Более половины сетей, которые мы пытались соединить, оказались жизнеспособными».

Второй и третий вопросы — постоянство и эволюционируемость — измеряют, насколько хорошо эндосимбиоз может конкурировать со своими непосредственными предками в изменяющейся среде. Результаты показывают, что большинство пар были менее подходящими и менее эволюционирующими, чем их предки, но не всегда.

«В некотором смысле удивительно, как более половины возможных эндосимбиозов между прокариотами могут выжить», — говорит Либби. «Также было удивительно, что, учитывая два генома в эндосимбиозах, они менее способны адаптироваться, чем их предки с одним геномом. Оба этих результата противоречили нашим первоначальным ожиданиям».

Оки добавляет: «Это означает, что они имеют более низкий потенциал для диверсификации и распространения по всей планете, и может помочь объяснить, почему, за исключением эукариот, сегодня существует относительно мало эндосимбиозов прокариот».

Однако один из интригующих выводов заключался в том, что многие из смоделированных пар действительно имели преимущество, когда ресурсы в окружающей среде становились дефицитными, говорит Оки. «Это открытие может помочь в исследовании микробиомов Земли, чтобы обнаружить больше прокариотических эндосимбиозов, живущих среди нас».

Исследование предполагает, что совместимость метаболических сетей, вероятно, не является ограничивающим фактором прокариотического эндосимбиоза. Тем не менее, существует множество других теорий и утверждений.

«Нам нужно начать количественную оценку этих утверждений», — говорит Кемпес. «Насколько сложным является эукариогенез? Нам нужна общая шкала, как для понимания прошлого, так и в качестве основы для синтетических биологов , которые хотят построить новые органеллы или повысить клеточную эффективность».

Количественная оценка сложности этой задачи является ключом к пониманию того, как жизнь могла развиваться на Земле, шансов на то, что она может существовать где-то еще во Вселенной, и возможности ее создания в лаборатории.