Эволюцию фотосинтезирующих эукариот изучили на дрожжах

Теория гласит, что фотосинтезирующие эукариоты появились в результате симбиоза эукариотических клеток и фотосинтезирующих цианобактерий. Фотосинтезирующие эндосимбионты эволюционировали и превратились в хлоропласты. Однако о процессе, который мог бы привести к подобному результату, известно мало. Ученые ранее уже получали искусственные эндосимбионты, которые, однако, не могли взять на себя все энергетические потребности клетки-хозяина. Американские ученые получили систему из цианобактерий Synechococcus elongatus PCC 7942 (Syn7942) и пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Они изменили Syn7942 таким образом, чтобы те могли обеспечивать дрожжи АТФ с помощью фотосинтеза. Такие химеры жили в течение 15–20 делений.

Сначала исследователи изменили Syn7942 таким образом, чтобы те могли выполнять функции хлоропласт. Для этого они получили мутантные SynJEC1, которые экспрессировали АДФ/АТФ-транслоказу, характерную для внутриклеточных организмов (в данном случае — для Protochlamydia amoebophila UWE25). В то же время опыты показали, что сама Syn7942, по-видимому, экспрессирует белки со схожими функциями.

В качестве организма-хозяина выбрали штамм S. cerevisiae cox2-60, который не может собрать функциональный комплекс цитохром-c-оксидазы и не вырабатывает АТФ в определенных условиях.

Полученные цианобактерии слили с дрожжами. Удачные системы отбирали в условиях, бедных питательными веществами, но способствующих фотосинтезу. После этого смотрели, как дрожжи с эндосимбионтами и без росли в селективной среде. Контрольные дрожжи поделились дважды, а дрожжи с эндосимбионтами — примерно 14 раз до того, как рост затормозился.

Даже через несколько поколений цианобактерии оставались внутри дрожжей, что подтвердили с помощью ПЦР. Тем не менее стабильность химер усилили, экспрессируя в цианобактериях SNARE-подобные белки. Система S. cerevisiae cox2-60-SynJEC3 пережила около 20 удвоений в селективной среде, после чего утратила жизнеспособность, вероятно, в результате потери цианобактерий.

Полученные химерные системы визуализировали с помощью флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения (TIRFM), конфокальной флуоресцентной микроскопии и трансмиссионной электронной микроскопии. Они подтвердили присутствие целых цианобактерий-эндосимбионтов в дрожжевых клетках.

Исследователи изменили систему таким образом, чтобы клетка-хозяин нуждалась в АТФ, производимых эндосимбионтами, а цианобактерии — в аминокислотах, вырабатываемых клеткой-хозяином. Для этого в цианобактриях вывели из строя несколько генов, ассоциированных с биосинтезом аминокислот.

После этого проверили, насколько системе необходим фотосинтез. В условиях, когда он невозможен, рост химер значительно замедлился. Тот же эффект показали, добавив в среду ингибитор фотосинтеза, — химеры теряли жизнеспособность. Таким образом, фотосинтез необходим полученной системе.

Авторы говорят о том, что их систему можно использовать для эволюционных исследований, в частности, при изучении эволюции органелл.