Μακριά από την εικόνα των «μοναχικών οργανισμών», οι περισσότεροι μονοκύτταροι μικροοργανισμοί συμμετέχουν σε πολύπλοκες σχέσεις. Στον ωκεανό, στο έδαφος και στο έντερό σας μπορεί να “πολεμούν” και να τρώνε ο ένας τον άλλο, να ανταλλάσσουν DNA, να ανταγωνίζονται για θρεπτικά συστατικά ή να τρέφονται από τα υποπροϊόντα του άλλου. Μερικές φορές αυτοί οι άτυποι δεσμοί γίνονται ακόμα πιο στενοί: Ένα κύτταρο μπορεί να «γλιστρήσει» μέσα σε ένα άλλο και να εγκατασταθεί. Αν οι συνθήκες είναι κατάλληλες μπορεί να παραμείνει εκεί, δημιουργώντας μία σχέση που μπορεί να διαρκέσει για μερικά χρόνια—ή δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό το φαινόμενο, όταν ένα κύτταρο ζει μέσα σε ένα άλλο ονομάζεται “ενδοσυμβίωση” και έχει πυροδοτήσει την εξέλιξη της σύνθετης ζωής.

Παραδείγματα ενδοσυμβίωσης βρίσκονται παντού. Τα μιτοχόνδρια, τα εργοστάσια ενέργειας των κυττάρων σας ήταν κάποτε ελεύθερα βακτήρια. Τα φωτοσυνθετικά φυτά οφείλουν τα σάκχαρά τους που παράγονται από το φως του ήλιου στους χλωροπλάστες, οι οποίοι ήταν αρχικά ανεξάρτητοι οργανισμοί. Πολλά έντομα λαμβάνουν απαραίτητα θρεπτικά συστατικά από βακτήρια που ζουν μέσα τους.

Παρόλο που μεγάλο μέρος της ζωής εξαρτάται από ενδοσυμβιωτικές σχέσεις οι επιστήμονες δυσκολεύονταν να κατανοήσουν πως αυτές προκύπτουν. Πώς καταφέρνει ένα κύτταρο να αποφύγει την πέψη; Πώς μαθαίνει να αναπαράγεται μέσα στον ξενιστή; Τι μετατρέπει μια τυχαία συνένωση δύο ανεξάρτητων οργανισμών σε μια σταθερή, μακροχρόνια συνεργασία και δημιουργεί μία νέα συνθήκη, μία νέα πραγματικότητα;

Για πρώτη φορά ερευνητές παρακολούθησαν την αρχική «χορογραφία» αυτής της μικροσκοπικής διαδικασίας προκαλώντας ενδοσυμβίωση στο εργαστήριο. Αφού εισήγαγαν βακτήρια σε έναν μύκητα—μια διαδικασία που απαίτησε δημιουργική σκέψη—οι επιστήμονες κατάφεραν να προκαλέσουν αυτού του είδους τη συνεργασία χωρίς να σκοτώσουν το βακτήριο ή τον ξενιστή. Οι παρατηρήσεις τους δίνουν μία σαφή εικόνα για τις συνθήκες που επιτρέπουν να συμβεί κάτι παρόμοιο στο φυσικό μικροβιακό περιβάλλον.

Τα κύτταρα προσαρμόστηκαν το ένα στο άλλο πιο γρήγορα από το αναμενόμενο. «Για μένα αυτό σημαίνει ότι οι οργανισμοί θέλουν πραγματικά να ζουν μαζί και η συμβίωση είναι ο κανόνας» δήλωσε ο Βασίλης Κοκκόρης, επιστήμονας με εξειδίκευση στους μύκητες που μελετά τη βιολογία της συμβίωσης στο Πανεπιστήμιο VU του Άμστερνταμ.

Οι πρώτες αποτυχημένες προσπάθειες δείχνουν ότι οι περισσότερες κυτταρικές «ερωτικές σχέσεις» δεν πετυχαίνουν. Εφόσον επαληθευτούν τα παραπάνω οι ερευνητές θα μπορούν με βάση τους την καλύτερη κατανόηση για καθοριστικές στιγμές της εξέλιξης, να αναπτύξουν συνθετικά κύτταρα με υπερενισχυμένους ενδοσυμβιωτικούς οργανισμούς.

Η ανακάλυψη του κυτταρικού τοιχώματος

Η Julia Vorholt, μικροβιολόγος στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη της Ελβετίας αναρωτιόταν για χρόνια σχετικά με τις συνθήκες της ενδοσυμβίωσης. Οι ερευνητές στον τομέα αυτό υπέθεταν ότι μόλις ένα βακτήριο διεισδύσει σε ένα κύτταρο ξενιστή η σχέση ισορροπεί ανάμεσα στη μόλυνση και την αρμονία. Εάν το βακτήριο αναπαράγεται πολύ γρήγορα, διατρέχει τον κίνδυνο να εξαντλήσει τους πόρους του ξενιστή και να προκαλέσει ανοσοαπόκριση, με αποτέλεσμα τον θάνατο του, του ξενιστή ή και των δύο. Από την άλλη αν αναπαράγεται πολύ αργά δεν θα μπορέσει να εδραιωθεί στο κύτταρο.

Μόνο σε σπάνιες περιπτώσεις το βακτήριο επιτυγχάνει τον ιδανικό ρυθμό αναπαραγωγής, ούτε πολύ γρήγορο ούτε πολύ αργό. Στη συνέχεια για να δημιουργηθεί ένας πραγματικός ενδοσυμβιωτικός οργανισμός πρέπει να διεισδύσει στον αναπαραγωγικό κύκλο του ξενιστή, ώστε να «ταξιδέψει» στην επόμενη γενιά. Το γονιδίωμα του ξενιστή πρέπει να υποστεί μεταλλάξεις για να φιλοξενήσει το βακτήριο, επιτρέποντας στους δύο οργανισμούς να εξελιχθούν πλέον ως μία μονάδα. «Γίνονται εξαρτημένοι ο ένας από τον άλλο», ανέφερε η Vorholt.

Αυτές οι ιδέες ήταν λογικές, αλλά κανείς δεν είχε παρατηρήσει ποτέ τα αρχικά στάδια της μικροβιακής ενδοσυμβίωσης. Έτσι η Vorholt αποφάσισε να προσπαθήσει να την προκαλέσει στο εργαστήριο. Αντί να «ανακαλύψει ξανά τον τροχό της ενδοσυμβίωσης», σκέφτηκε ότι η ομάδα της θα είχε μεγαλύτερες πιθανότητες αν αναδημιουργούσε (σαν μία προσομοίωση) μία “συνεργασία” που είχε ήδη συμβεί στη φύση.

Η ασθένεια της εξασθένισης των σπορόφυτων ρυζιού προκαλείται από ένα τοξικό παραπροϊόν μιας φυσικής, ενδοσυμβιωτικής σχέσης. Σε κάποιο σημείο της εξελικτικής ιστορίας ο μύκητας Rhizopus microsporus υιοθέτησε το βακτήριο Mycetohabitans rhizoxinica. Ο βακτηριακός κάτοικος παράγει δηλητήριο, το οποίο ο μύκητας χρησιμοποιεί για να μολύνει τα φυτά ρυζιού και οι δύο οργανισμοί επωφελούνται απορροφώντας θρεπτικά συστατικά από τα νεκρά ή ετοιμοθάνατα φυτικά κύτταρα. Με την πάροδο των γενεών, το συγκεκριμένο ζευγάρι έγινε τόσο αλληλένδετο που τώρα ο μύκητας δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς τον ενδοσυμβιωτικό οργανισμό του.

Υπάρχει όμως ένα στέλεχος του μύκητα που ζει χωρίς τον ενδοσυμβιωτικό οργανισμό. Η Vorholt πίστευε ότι θα μπορούσε να το χρησιμοποιήσει για να αναδημιουργήσει τη “δηλητηριώδη συνεργασία”. Πριν όμως φτάσει στα πιο δύσκολα βήματα του κυτταρικού «προξενιού», η ομάδα της έπρεπε να ξεπεράσει έναν βασικό φυσικό περιορισμό: Πώς θα μπορούσε να «περάσει» φυσικά ένα βακτήριο μέσα από το άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα ενός μύκητα;

Ο Gabriel Giger κύριος συγγραφέας της μελέτης και μεταπτυχιακός φοιτητής της Vorholt ξεκίνησε φτιάχνοντας ένα κοκτέιλ ενζύμων για να μαλακώσει το τοίχωμα. Στη συνέχεια χρησιμοποίησε ένα μικροσκόπιο εξοπλισμένο με μια τεχνολογία γνωστή ως FluidFM, προσαρμοσμένη ώστε να λειτουργεί ως μικροσκοπική σύριγγα. Όταν ο Giger τρύπησε το κυτταρικό τοίχωμα του μύκητα με τη μικροβελόνα, το κυτταρόπλασμα ξεχύθηκε σαν νερό από σπασμένο φράγμα. «Είχαμε τόσο μεγάλη αντίστροφη πίεση», είπε ο Giger.

Χρειάστηκε κάτι πιο ισχυρό για να αντισταθεί στην ενδοκυτταρική πίεση και να σπρώξει τα βακτήρια μέσα. Ο Giger αυτοσχεδίασε συνδέοντας την αντλία του ποδηλάτου του στο μικροσκόπιο. Λειτούργησε: Η αντλία αύξησε την πίεση και ανάγκασε τα βακτήρια να περάσουν μέσα από το κυτταρικό τοίχωμα στο κυτταρόπλασμα. Μετά από διαδοχικά πειράματα με διαφορετικές πιέσεις το σύστημα τελειοποιήθηκε.

Ο Giger και η Vorholt ξεκίνησαν πρώτα να εγχέουν τον μύκητα με Escherichia coli, ένα βακτήριο που χρησιμοποιείται ευρέως σε εργαστηριακά πειράματα. Μόλις μπήκε το E. coli αναπαράχθηκε γρήγορα, τρεφόμενο από τα θρεπτικά συστατικά μέσα στο κύτταρο. Το βακτήριο μεγάλωσε τόσο γρήγορα που το ανοσοποιητικό σύστημα του μύκητα το αντιλήφθηκε και το εξουδετέρωσε αποτελεσματικά.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές πέρασαν στο M. rhizoxinica, το βακτήριο που ήδη υπήρχε σε άλλα στελέχη του R. microsporus. Μόλις μπήκε μέσα διαιρέθηκε με έναν «ιδανικό» ρυθμό και απέφυγε την ανοσοαπόκριση. Το πιο σημαντικό κανένας από τους δύο οργανισμούς δεν πέθανε. Τα βακτήρια μάλιστα είχαν καταφέρει να διεισδύσουν στους σπόρους του μύκητα για να «πάρουν μαζί τους» την επόμενη γενιά.

Ο Giger και η ομάδα του επέλεξαν χειροκίνητα σπόρους και καλλιέργησαν δέκα διαδοχικές γενιές μυκήτων. Περισσότερα βακτήρια επιβίωναν σε κάθε γύρο αναπαραγωγής και οι σπόροι γίνονταν πιο υγιείς και αποδοτικοί. Για πρώτη φορά οι ερευνητές παρακολούθησαν την πορεία των μικρόβια να προσαρμόζονται το ένα στο άλλο. «Κανένας από τους δύο οργανισμούς δεν δηλητηριάζει τον άλλο και οι ρυθμοί ανάπτυξής τους ευθυγραμμίζονται περίπου με το φάσμα βιωσιμότητας και για τους δύο».

Όταν απομονώθηκαν τα δύο γονιδιώματα, το γονιδίωμα του μύκητα είχε αποκτήσει μεταλλάξεις για να φιλοξενήσει τα βακτήρια. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τέτοιες σχέσεις μπορούν να σταθεροποιηθούν γρήγορα. Σύντομα τα δύο είδη δεν μπορούσαν να ζήσουν το ένα χωρίς το άλλο.

Αναδημιουργώντας μια φυσική σχέση οι Vorholt και Giger κατάφεραν να «ξανατρέξουν την ιστορία της εξέλιξης». Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η διαδικασία δεν μπορεί να συμβεί αν υπάρχει ασυμβατότητα μεταξύ του ξενιστή και του ενδοσυμβιωτικού οργανισμού σε οποιοδήποτε σημείο της διαδικασίας προσαρμογής.

Έμαθαν επίσης ότι σε ζευγάρια που λειτουργούν και οι δύο “συνεργάτες” προσαρμόζονται ο ένας στον άλλον—ένα φαινόμενο που δεν είχε αναλυθεί σε μεγάλο βαθμό. Δεν προσαρμόζονταν μόνο τα βακτήρια στο νέο περιβάλλον· ο ξενιστής άλλαζε κι αυτός ακόμη και στα αρχικά στάδια.

Νέες έρευνες σε διάφορα ενδοσυμβιωτικά συστήματα θα αποκαλύψουν ποιες συνθήκες ισχύουν γενικότερα και ποιες είναι συγκεκριμένες για ορισμένα ζευγάρια. Στο μέλλον αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ένα νέο είδος συνθετικής βιολογίας, με εργαστηριακά καλλιεργημένες ενδοσυμβιωτικές σχέσεις κάτι που θα μπορούσε να είναι μια «συναρπαστική διαδρομή για την εξερεύνηση της βιολογικής καινοτομίας».

Αντί να τροποποιούν τα γονίδια οργανισμών για τη δημιουργία νέων χαρακτηριστικών, τα εργαστήρια θα μπορούσαν να σχεδιάζουν βακτήρια που εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες και να τα εισάγουν σε ξενιστές. Τα επόμενα επεισόδια θα έχουν μεγάλο ενδιαφέρον και μένει να φανεί αν τα θηλαστικά συμμορφωθούν πλήρως στις παραπάνω δοκιμές.

*Με στοιχεία από το Wired.