Być może też dzięki archeonom zbliżymy się bardziej do odpowiedzi na odwieczne pytanie, skąd pochodzimy. A konkretnie, skąd pochodzą i jak powstały nasze eukariotyczne komórki. Istnieje pewna grupa tych organizmów, żyjąca na dnie zbiorników wodnych, zwana Asgardarchaeota (a w jej skład wchodzą Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinoarchaeota i Heimdallarchaeota - dla miłośników mitologii nordyckiej cudo). Uznaje się, że to najbliżsi krewni nas - eukariontów, a ich przodkowie byli naszymi przodkami. Dopiero niedawno udało się wyhodować przedstawiciela tej grupy sztucznie w laboratorium - próby zajęły ponad dekadę! Poprzednio znaliśmy te archeony tylko z fragmetów ich DNA wyizolowanych z podwodnej głębiny (fragmentów zawierających geny podobne do eukariotycznych).
Wyhodowany szczep otrzymał nazwę Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum strain MK-D1. Nazwa częściowo w hołdzie boskiemu Prometeuszowi, który stworzył ludzi tak, jak archeony mogły "stworzyć" eukarionty, a częściowo wskazująca na sposób, w jaki ten mikrob może rozkładać związki organiczne - poprzez syntrofię. Syntrofia jest procesem, w którym dwa lub więcej gatunków mikroorganizmów pozostaje ze sobą w ścisłej symbiozie, żeby prowadzić metabolizm określonych związków - bez udziału jednego z nich drugi sam sobie z tym nie poradzi. Nasz bohater współpracuje zarówno z bakterią, jak i z innym archeonem. Co jeszcze o nim wiemy? Żyje w warunkach beztlenowych, jego kolonie bardzo wolno rosną i posiada długie, interesujące wypustki. Mimo genetycznego podobieństwa do eukariontów nie ma niestety żadnych zaczątków organelli (a szkoda, bo byłoby to niezwykle fascynujące). Najwyraźniej jednak jest najbliższym wyhodowanym w kulturze krewnym eukariontów.
Na podstawie badania szczepu MK-D1 naukowcy stworzyli hipotetyczny model ewolucji eukariontów z prokariotycznych przodków. Według nich zaczęło się od wzrostu poziomu tlenu na naszej planecie, który sprawił, że dawni przodkowie archeonów musieli przystosować się do nowych warunków - dla organizmów żyjących wcześniej w warunkach beztlenowych tlen był toksyczny. Mogła im w tym pomóc symbioza z tolerującymi tlen bakteriami redukującymi siarczany. Wytwarzają one siarkowodór, który reaguje z tlenem, zmniejszając jego stężenie. Później te "protoarcheony" spotkały jakiegoś mikroba będącego w stanie oddychać tlenowo. Dzięki symbiozie z tym organizmem, pochłaniającym toksyczny dla nich tlen, "protoarcheony" mogły żyć w tlenowym środowisku, a potem, używając zewnątrzkomórkowych struktur, po prostu wchłonęły takowego mikroba do swojego komórkowego "ciała". Tak narodziło się mitochondrium. Narodziły się też różne struktury komórkowe łącznie z jądrem - i powstaliśmy my. A konkretnie nasze eukariotyczne komórki.
Przyznam, że nie planowałam powyższej ściany tekstu. Post ten w zamyśle miał być na temat tworzenia przez archeony biofilmów, ale myślę, że temat pochodzenia eukariontów, czyli grupy stworzeń, do których należymy, jest także bardzo interesujący. O biofilmach jednak powinnam wspomnieć choćby z przyzwoitości.
Biofilm jest generalnie bardzo ciekawą strukturą, wyjątkowo odporną na warunki środowiska. Spotkamy je wszędzie, także w miejscach, gdzie nie przetrwałoby żadne "wyższe" życie. Z definicji jest to statyczny zbiór komórek bakterii, archeonów lub grzybów, które żyją w ścisłym kontakcie pomiędzy produkowaną przez siebie zewnątrzkomórkową macierzą zawierającą różne związki organiczne – polisacharydy, kwasy nukleinowe, białka i lipidy - zwane skrótowo EPSs (extracellular polymeric substances). Biofilmy chronią organizmy przed stresem środowiskowym, ułatwiają horyzontalny transfer genów i dostęp do substancji odżywczych pochodzących z lizy sąsiednich komórek, a poza tym pozwalają na, już wcześniej wspominaną przeze mnie, syntrofię. Biofilmy bowiem zasadniczo zawierają więcej niż jeden gatunek mikroorganizmów, w jednym biofilmie mogą współegzystować organizmy należące do różnych gatunków, rodzajów, rodzin, a także domen i wspólnie prowadzić metabolizm związków chemicznych.
Warto wspomnieć, że o biofilmach archeonów nie wiemy tyle, co o biofilmach bakteryjnych, które od lat były intensywnie badane ze względu na wywoływanie zakażeń u ludzi. W ostatnich latach zyskano wprawdzie informacje na temat wzrostu i rozwoju biofilmu archeonów, pozostało jednak jeszcze duże pole do dalszych badań. Wiemy, że u różnych gatunków zarówno struktura biofilmu, jak i proces jego tworzenia, zaangażowane w to geny i struktury komórkowe mogą być odmienne. Wiemy natomiast mniej na przykład o tym, jak komórki archeonów komunikują się podczas procesu tworzenia biofilmu. Badanie archeonów niesie także ze sobą pewne praktyczne korzyści. Wiedzę na temat ich biofilmów można wykorzystać w różnych gałęziach przemysłu.
Podczas rozwoju biofilmu – niezależnie jakiego gatunku stworzenia – można określić kilka pewnych konkretnych faz. Biofilmy zasadniczo powstają na podłożu, toteż pierwszym krokiem byłoby właśnie przylgnięcie komórek do podłoża. Z początku jest to proces odwracalny, potem jednak przytwierdzenie do podłoża staje się nieodwracalne. W tym momencie zaczyna się formowanie przez komórki mikrokolonii komórkowych, które w miarę upływu czasu tworzą dojrzały biofilm. Ostatnim stadium jest rozproszenie, podczas którego część komórek kończy statyczny tryb życia w bezpiecznym biofilmie, odrywa się od niego i na nowo uzyskuje zdolność do swobodnego ruchu. Jest to niezbędny krok w kolonizacji nowych miejsc przez mikroorganizmy.
Można zadać sobie pytanie, jaki proces czy bodziec powoduje, że w pewnym momencie komórki, przedtem żyjące swobodnie w środowisku, zaczynają tworzyć biofilm. Ponieważ jest to struktura zapewniająca dużą wytrzymałość na warunki środowiska, nie będzie zaskakującą konkluzja, że niekorzystne zmiany w środowisku, na przykład temperatury czy pH, będą sprzyjać formowaniu się biofilmów. Ponieważ wejście w nową formę życia wymaga nowych umiejętności, zauważalne są różnice w ekspresji genów pomiędzy komórkami w stanie wolnym a komórkami w biofilmie. Wielkość tych różnic zależy od gatunku organizmu. U niektórych gatunków, takich jak Ferroplasma acidarmanus, w biofilmie mogą występować strefy pozbawione tlenu – zatem w jego przypadku zwiększona będzie ekspresja genów odpowiadających za adaptację do warunków beztlenowych.
Mamy zatem komórkę, która postanawia stworzyć biofilm. Pierwszym krokiem jest przytwierdzenie się jej do podłoża. Z początku przylgnięcie jest odwracalne, ponieważ biorą w nim udział głównie słabe oddziaływania: hydrofobowe oraz van der Waalsa. W przytwierdzeniu się komórce może pomóc także wydzielanie EPSs (zewnątrzkomórkowych biopolimerów). Tworzą one lepką substancję, która łatwo przylgnie do podłoża. Ciekawiej zaczyna się robić, gdy komórka postanawia przytwierdzić się do podłoża nieodwracalnie. Wówczas oddziaływania międzycząsteczkowe przestają wystarczać i rolę muszą przejąć różnorodne wypustki komórkowe. To, jakie konkretnie, zależy od gatunku archeona. Nie wszystkie komórki potrzebują wszystkich wypustek, by wytworzyć biofilm. U wielu archeonów struktury biorące udział w przytwierdzeniu się do podłoża są niepoznane.
Struktur komórkowych archeony mają generalnie całkiem sporo. Zacznijmy od T4P - w skrócie, a w rozwinięciu pilusa typu 4., który był badany u archeona Haloferax volcanii, ponieważ jest dla niego bardzo istotny i odgrywa rolę na różnych stadiach rozwoju jego biofilmu. Pilus jest włosowatą wypustką, która ma też inne rodzaje oprócz T4P. Kolejnymi strukturami wartymi wymienienia są: specyficzne dla tej domeny archaellum, które może tworzyć grube wiązki, pomagając archeonom w przytwierdzeniu się do podłoża, mało poznana, pusta w środku wypustka zwana cannulą (która może łączyć komórki w taki sposób, że powstają z nich widoczne gołym okiem płatki) oraz dość interesująca wypustka (fimbria) odnaleziona u gatunku Methanobacter thermoautotrophicus. Ciekawa jest dlatego, że buduje ją białko Mth60, niehomologiczne do innych znanych białek archeonów. Zdecydowanie jednak najbardziej uroczą z tych struktur jest hamus, wypustka przypominająca z wyglądu drut kolczasty i posiadająca na końcu maleńki, wyraźny haczyk, z wyglądu idealny do przyczepiania się. Na końcu tekstu podaję źródła, w których są między innymi pokazane hami właśnie - popatrzcie sobie na nie, są naprawdę niezwykłe.
Kiedy nasza komórka, która postanowiła stworzyć biofilm, przyczepiła się już nieodwracalnie do podłoża, może zacząć dzielić się, formując mikrokolonię. Dalej wydziela wspomniane już wcześniej EPSs, zapewniające komórkom potomnym przestrzeń do życia i ochronę przed wpływami środowiska. Komórki wewnątrz biofilmu tworzą połączenia pozwalające na międzykomórkowy transport różnych substancji, w tym elektronów (czyli technicznie umożliwiają przepływ międzykomórkowego prądu). Struktury odpowiadające za to ostatnie nazywa się nanowires.
Żeby dokładnie poznać sposób, w jaki komórki archeonów komunikują się wewnątrz biofilmu (tak, potrafią to robić), potrzeba jeszcze badań, wiemy jednak, że ma w tym udział tak zwane quorum sensing (porozumiewanie się za pomocą związków chemicznych).W trakcie dojrzewania biofilmu zaczyna się formować jego struktura 3D, odmienna dla różnych gatunków, a same komórki żyjące w nim mogą zmieniać kształt na wydłużony. A potem? Potem komórki zaczynają się rozpraszać, rezygnując ze statycznego życia w biofilmie i powracając do swobodnego ruchu w środowisku. W trakcie tego swobodnego ruchu mogą znów trafić na podłoże, przytwierdzić się do niego i rozpocząć nowy biofilm - cykl się powtarza.
Po co ta cała wiedza? Można powiedzieć, że dla samej chwały Nauki, można też podejść do sprawy bardziej przyziemnie. Archeony są wykorzystywane w przemyśle w procesach takich jak bioługowanie, biofiltracja, bioremediacja, bioprodukcja gazu i biodegradacja metanolu. Wszystko na "bio". Biofilmy archeonów mogą też osadzać się na urządzeniach, powodując problemy techniczne, toteż więcej informacji na ich temat może nam ułatwić zarówno wspieranie ich, jak i walkę z nimi - zależnie od potrzeb.
Różnorodność biofilmów odzwierciedla idealnie różnorodność natury. Biofilmy to kształty - płaskie, dwuwarstwowe lub wielowarstwowe, przypominające kulę, dywan, wieżę albo sznur pereł. Biofilmy to miejsca - mogą przetrwać niemal w każdych warunkach, żyją więc w gorących i zimnych źródłach, kraterach wulkanicznych, osadach oceanicznych, Morzu Martwym, na i w ciele człowieka - choćby na tkance otaczającej implanty stomatologiczne, która często ulega zapaleniom. Czy jest to winą archeonów? Nie jest to pewne.
ŹRÓDŁA:
Archaeal biofilm formation Marleen van Wolferen, Alvaro Orell, Sonja-Verena Albers [Nature Reviews Microbiology]
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7015854/#MOESM1
Dziękuję, bo szczerze mówiąc, obawiałam się, na ile to jest przystępne. Skoro jest ok, to super :). Te zdjęcia są z gorących źródeł w Yellowstone i faktycznie wyglądają obłędnie, a dla kogoś z talentem fotograficznym ich potencjał jest z pewnością ogromny. Tylko ostatnie foto przedstawia hiszpańską rzekę.
OdpowiedzUsuń