Японские ученые провели эксперимент, который показал, что одноклеточный жгутиконосец Rapaza viridis не только поглощает хлоропласты водорослей, но и обеспечивает их функционирование благодаря белкам, синтезируемым из собственного генома. После каждого приема пищи хищник восстанавливает контроль над захваченной органеллой на биохимическом уровне. Это первый подтвержденный биохимический случай временной молекулярной химеры у эукариот.
Согласно представлениям эволюционной биологии, хлоропласты и митохондрии изначально представляли собой самостоятельные бактерии, которые были поглощены предками современных эукариот. Процесс превращения захваченного организма в постоянный клеточный компонент занимает миллионы лет. В природе наблюдается явление клептопластии – это способность организмов заимствовать пластиды у других существ и кратковременно использовать их для осуществления фотосинтеза, при этом отбрасывая остальную часть поглощенной клетки.
Ранее ученые могли опираться только на косвенные генетические сведения, указывающие на то, что ядро хищника направляет белки в захваченную органеллу, чтобы поддержать её жизнеспособность. Прямых биохимических подтверждений подобного молекулярного механизма не было обнаружено.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, изучили клептопластию у одноклеточного эвгленозоя Rapaza viridis, который питается зелеными водорослями этого рода Tetraselmis. Хищник усваивает ядро и цитоплазму жертвы, при этом хлоропласты остаются неповрежденными и продолжают выполнять свои функции, а именно фотосинтез. В ходе анализа транскриптома жгутиконосца на различных этапах переваривания было установлено, что 37 активных генов кодируют белки, структуру которых напоминает компоненты фотосинтетического аппарата.
Для всестороннего изучения принципов работы были отобраны два белка, аналогичных RvRbcS и RvRca – малой субъединице и активатору фермента Рубиско, играющего ключевую роль в фотосинтезе. Ученые разработали флуоресцентные антитела, способные взаимодействовать исключительно с этими молекулами. С использованием иммунофлуоресцентной микроскопии был отслежен путь белков внутри клетки. Флуоресцентные метки продемонстрировали, что белки-хищники способны преодолевать мембраны чужого хлоропласта и накапливаться в его внутреннем пространстве.
После этого исследователи решили установить, необходимы ли эти белки хлоропласта. Для этого биологи использовали технологию генетической модификации CRISPR/Cas9 и намеренно удалили гены, которые кодируют производство белков, схожих с RvRbcS и RvRca, у исследуемого организма.
Изменение генетического кода привело к значительному ухудшению процесса фотосинтеза. Клетки, у которых был удален ген, подобный RvRbcS, производили кислород в два раза меньше, чем типичные особи. Эти организмы утратили способность запасать полисахаридные гранулы, служащие источником энергии, и начали массово погибать всего через 22 дня после потребления водоросли, в то время как у здоровых микроорганизмов хлоропласт функционирует в течение примерно пяти недель.
Изучение структуры белка, похожего на RvRbcS, показало наличие у него протяженного С-концевого участка, который отсутствует в исходных белках водорослей-хозяев. Ученые считают, что этот белковый фрагмент способствует физической реорганизации пиреноида – структуры внутри хлоропласта, отвечающей за фиксацию углерода – в угоду хищнику. В то время как хлоропласты растений функционируют как стабильные компоненты клетки, Rapaza viridis собирает транспортную систему с нуля после каждой успешной охоты.
Эукариотические клетки обладают возможностью формировать кратковременные гибридные структуры, интегрируя собственные генетические компоненты с биохимией поглощенных пластид. Способность к синтезу белков и их направленной транспортировке через мембраны временно захваченных органелл указывает на промежуточный этап эволюции, находящийся между обычным клеточным хищничеством и установленным симбиотическим взаимодействием.