Fotosyntetyzujące ślimaki

Fotosyntetyzujące ślimaki

W trakcie przygotowywania ostatniej notki o GMO natrafiłem na artykuły o zdumiewającym zwierzęciu – fotosyntetyzującym ślimaku. Początkowo zdało mi się to tak kosmiczne, że wręcz nie mogłem uwierzyć. Oto jest sobie zwierzę zwane Elysia chlorotica, które zaczyna życie jak wiele innych morskich ślimaków, to jest jako roślinożerca żywiący się glonami. Po czym robi coś dziwnego. Zjedzonych glonów nie trawi w całości. Komórki jego jelit dokonują ekstrakcji chloroplastów, które następnie rezydują w nich przez wiele miesięcy, dając ślimakowi charakterystyczne zabarwienie, co zobaczyć możecie na fotografii stanowiącej tło tytułu tego posta.

Zjawisko to, zwane kleptoplastią (dosłownie kradnięciem plastydów) samo w sobie nie jest aż tak nietypowe. Wiele innych gatunków morskich ślimaków potrafi robić nie mniej zadziwiające sztuczki.

Pamiętacie z lekcji w szkole zajęcia o zwierzętach zwanych parzydełkowcami? Ich nazwa pochodzi od parzydełek, to jest specjalnych komórek zawierających wybuchowe pojemniczki z małymi harpunami, które jednocześnie funkcjonują niczym igły wstrzykujące parzące trucizny, używanych do obrony jak i ataku.

Przydełko, po lewej zwinięte, po prawej wystrzelone. Obrazek skradziony z książki "Zoologia" Stanisława Chudoby, opublikowanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe we Wrocławiu w 1976 roku.

Przydełko, po lewej zwinięte, po prawej wystrzelone. Obrazek skradziony z książki "Zoologia" Stanisława Chudoby, opublikowanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe we Wrocławiu w 1976 roku.

Obrona ta nie zawsze jest skuteczna. Wiele gatunków ślimaków nagoskrzelnych potrafi skutecznie odżywiać się parzydełkowcami nic sobie nie robiąc z parzydełek. Co więcej, wiele z tych gatunków potrafi wchłaniać nienaruszone parzydełka i transportować je na powierzchnię własnego ciała, kradnąc w ten sposób system obronny parzydełkowców. Jednym z takich ślimaków jest Aeolidia papillosa, który gromadzi skradzione parzydełka w palczastych wypustkach na górnej części swego ciała.

Elysia chlorotica używa podobnej sztuczki by przechwycić chloroplasty. Tym co zaintrygowało naukowców był czas przez jaki chloroplasty w najwyraźniej nienaruszonym stanie rezydują w komórkach ślimaka, który mierzony jest miesiącami. Biolodzy roślin uznają coś takiego za w zasadzie niemożliwe. By zrozumieć dlaczego, trzeba pojąć specyfikę chloroplastów jako organelli.

Chloroplasty, podobnie jak mitochondria, są organellami komórkowymi, które określane są jako połautonomiczne. W przeciwieństwie do większości innych organelli zawierają one własne DNA. Jest to relikt przeszłości, ślad tego jak mitochondria i chloroplasty powstały – w procesie endosymbiozy swobodnie żyjących bakteryjnych przodków z pierwotnymi eukariontami :

Przebieg endosymbiozy w której powstały plastydy. Pierwszym etapem była fagocytoza pradawnych sinic przez prymitywne komórki eukariotyczne (czyli komórki wyposażone w jądra komórkowe). Wchłonięta sinica, otoczona błoną fagosomu, nie została strawiona, zamiast tego stała się symbiontem komórki eukariotycznej. Po milionach lata i wielu zmianach, które znacznie silniej zespoliły ze sobą metabolizmy symbiontów, oraz po migracji wielu genów sinicy do genomu komórki eukariotycznej, powstał chloroplast. Grafika jest zmodyfikowaną wersją oryginału stworzonego przez Kelvinsong, użytego, zmodyfikowanego i udostępnionego na licencji CC BY-SA 3.0.

Przebieg endosymbiozy w której powstały plastydy. Pierwszym etapem była fagocytoza pradawnych sinic przez prymitywne komórki eukariotyczne (czyli komórki wyposażone w jądra komórkowe). Wchłonięta sinica, otoczona błoną fagosomu, nie została strawiona, zamiast tego stała się symbiontem komórki eukariotycznej. Po milionach lata i wielu zmianach, które znacznie silniej zespoliły ze sobą metabolizmy symbiontów, oraz po migracji wielu genów sinicy do genomu komórki eukariotycznej, powstał chloroplast. Grafika jest zmodyfikowaną wersją oryginału stworzonego przez Kelvinsong, użytego, zmodyfikowanego i udostępnionego na licencji CC BY-SA 3.0.

Po endosymbiozie wiele bakteryjnych genów zostało przeniesionych do jądrowego genomu gospodarza. Tylko niewielki ich odsetek pozostał w oryginalnym genomie bakterii. Fakt, że wiele genów chloroplastów i mitochondriów uległo transferowi do genomu jądrowego ma istotne konsekwencje dla ich funkcjonowania. Chociaż organelle te potrafią syntetyzować niektóre białka potrzebne do działania ich metabolizmu, w tym dla ich głównych komórkowych funkcji (odpowiednio: fotosyntezy i oddychania), to jednak nie potrafią wytwarzać większości niezbędnych ku temu enzymów. Są więc uzależnione od obecności w tej samej komórce jądra komórkowego zawierającego te wszystkie inne geny.

Oznacza to, że wyizolowane przez ślimaka chloroplasty nie powinny długo przeżyć poza swoją macierzystą komórką. Tymczasem chloroplasty nie tylko potrafią długo przetrwać w ciele ślimaka, staranne eksperymenty wykazały, że prowadzą w tym czasie fotosyntezę, zaś jej produkty trafiają do komórek ślimaka! Co więcej, autorzy tego odkrycia stwierdzili także, że choć ślimak zachowuje jedynie chloroplasty, to w jakiś sposób w jego komórkach dochodzi do syntezy białek kodowanych przez jądra komórkowe pożartych glonów.

Zaczęto szukać wyjaśnienia tego osobliwego fenomenu. Pierwsze wskazówki wyjaśniające w jaki sposób ślimak może prowadzić fotosyntezę z użyciem skradzionych chloroplastów pojawiły się w 2008 roku. Zespól uczonych badających genom ślimaka ogłosił, że odkryto w nim gen kodujący glonowe białko psbO, które pełni istotną funkcję w stabilizowaniu molekularnej maszynerii prowadzącej fotosyntezę.

Ponadto gen ten był obecny w genomach komórek linii generatywnej ślimaków, co znaczy, że był dziedziczony i przekazywany przez gamety (plemniki i komórki jajowe) kolejnym pokoleniom ślimaków. Pozwoliło to wysunąć hipotezę, że w odległej przeszłości przodkowie dzisiejszych ślimaków skradli geny glonów, którymi się żywiły. Pozwoliło im to następnie sprawnie podkradać i hodować chloroplasty. Geny były zintegrowane z genomem ślimaków na stałe, ale chloroplasty każdy ślimak musiał pobierać od nowa, żywiąc się po prostu glonami.

Scenariusz ten, gdyby znalazł potwierdzenie, byłby odkryciem nieprawdopodobnej wagi, bo pokazywałby jak połączenie horyzontalnego transferu genów z procesem endosymbiozy pozwoliło na pozyskanie przez zwierzęta zdolności fotosyntezy, a więc na naturalny transfer całego złożonego szlaku metabolicznego włącznie z potrzebną do tego maszynerią komórkową i genetyczną.

Rozumiecie już chyba czemu ślimaki te zwróciły moją uwagę gdy pisałem notkę o GMO? Nic, co zostało kiedykolwiek wyprodukowane przez biotechnologów nie mogłoby się równać złożoności i niezwykłości zjawisk jakie zaszły w ewolucji tych ślimaków.

Pieniądze Monsatana, którymi jak wiadomo opłacany hojnie jest każdy bloger piszący dobrze o GMO, są mi drogie, ale prawda jest nawet droższa. Dlatego ślimaki ostatecznie nie weszły w skład notki o GMO. Czemu? Bo są świetnym przykładem na autokorekcję w świecie nauki.

Trzy lata po doniesieniu o obecności roślinnych genów u E. chlorotica inny zespół badający dwa gatunki podobnych ślimaków doniósł, że ich genomy nie zawierają żadnych genów roślinnych. Z kolei opublikowane w 2013 roku badania genomu E. chlorotica przeprowadzone na próbkach DNA wyizolowanych z jaj ślimaka nie potwierdziło, jakoby obecne w nim były jakieś roślinne geny. Teoria o ślimakach hodujących chloroplasty z wykorzystaniem skradzionych glonowych genów zaczęła się sypać.

Ponadto inne badania wykazały, że choć ślimaki w istocie fotosyntetyzują, to proces ten nie dostarcza im istotnych zasobów pokarmowych. Nawet głodzone przez wiele miesięcy zachowywały zdrowie. Co więcej, nie miało na to wpływu, czy ślimak trzymany był na świetle (a więc mógł prowadzić fotosyntezę), czy w ciemności.

Gdzie nas to zostawia? Wiemy, że ślimaki mogą przetrzymywać chloroplasty znacznie ponad czas jaki jest zwykle przyjmowany za okres trwałości tych organelli po odcięciu od białek kodowanych w genomach jądrowych roślin, z których pochodzą. Wiemy też, że cukry produkowane w tych chloroplastach trafiają do komórek ślimaków, choć jednocześnie nie są im w żaden sposób niezbędne do przeżycia.

Wiemy, że żadne geny roślinne prawdopodobnie nie zostały przeniesione do komórek ślimaka (choć to jednak wciąż sprawa dyskusyjna, bo niektóre względnie nowe prace zawierają wyniki zdające się potwierdzać, że jakieś glonowe geny są tam jednak obecne). Choć wciąż nie wiemy po co ślimakom fotosynteza, powoli zaczynamy rozumieć jak mogą ją przeprowadzać.

Ci sami uczeni, którzy przeprowadzili eksperymenty wskazujące, że ślimaki nie potrzebują fotosyntezy do przeżycia, wpadli na trop wyjaśnienia tajemnicy trwałości chloroplastów w ślimaczych komórkach. Okazuje się, że ma to więcej wspólnego z samymi plastydami, niż ze ślimakami.

Tak jak to wyjaśniłem powyżej, chloroplasty potrzebują genów, które kiedyś przeniosły się z ich genomów do jądrowych genomów komórek, w których żyją. Ale u różnych grup organizmów przeniesieniu uległy różne geny. Jednym z genów, które zwróciły uwagę badaczy był gen ftsH. Gen ten koduje białko, którego funkcją jest nieustanna naprawa systemów prowadzących fotosyntezę. Taka nieustanna naprawa jest konieczna, bo wysokoenergetyczne zjawiska jakie mają miejsce w trakcie absorbowania energii świetlnej prowadzą do ciągłego uszkadzania odpowiedzialnej za to maszynerii molekularnej.

Gen ftsH jest u roślin kodowany w jądrze. Wyizolowanie chloroplastu odcina dopływ naprawczego białka i powoduje, że w wyniku fotosyntezy molekularna maszyneria plastydu ulega szybkiemu uszkodzeniu, co prowadzi do jego obumarcia. Okazało się jednak, że u wielu glonów gen ten wciąż obecny jest w genomie chloroplastu. Tak więc nawet umieszczony w obcym środowisku, chloroplast może przeprowadzać niektóre kluczowe procesy naprawcze chroniące go przed negatywnymi skutkami fotosyntezy. To być może jest kluczem do trwałości chloroplastów w ślimakach, nie jakaś specyficzna właściwość ślimaczych komórek, a źródło z którego pobierają one chloroplasty.

Jeśli notka Ci się podobała, polub blog na Facebooku, śledź mnie na Twitterze lub dodaj do czytnika. Fotografia tytułowa: Patrick Krug via Wikipedia, użyte, zmodyfikowane i udostępnione na licencji CC BY 2.0.

Ziemia 2

Ziemia 2

Wspólnie damy radę zniszczyć świat

Wspólnie damy radę zniszczyć świat