Přelomový objev českých vědců: První prvok bez mitochondrií

- Příroda autor: Jan Toman

Buňky lidí, všech mnohobuněčných živočichů, rostlin a hub, ale také jednobuněčných prvoků, obsahují řadu vnitřních komponent. Některé jsou zbytnější a v evoluci se u určitých skupin ztratily nebo výrazně pozměnily. Další se zdají daleko důležitější. Jednou z naprosto nezbytných součástek jsou – nebo se do nedávna zdály být – "buněčné elektrárny", mitochondrie. 

Přehledný snímek buňky Monocercomonoides kmen PA203 z transmisního elektronového mikroskopu

Přehledný snímek buňky Monocercomonoides kmen PA203 z transmisního elektronového mikroskopu,zdroj: Naoji Yubuki/Přírodovědecká fakulta UK

U několika skupin prvoků sice došlo k jejich zjednodušení, nikdy se ale neztratily docela. Jen před pár dny ale čeští protistologové z Přírodovědecké Univerzity Karlovy a jejich tuzemští a zahraniční kolegové přišli s přelomovým objevem. Podařilo se jim nalézt prvoka, ve kterém není po mitochondriích ani stopy!

Buňky všech organismů na Zemi můžeme rozdělit na dva radikálně odlišné typy. Jednobuněčná těla bakterií a jim nepříbuzných, ale co do charakteru buňky podobných, zástupců skupiny Archea se vyznačují velmi jednoduchou stavbou. Měří většinou jednotky mikrometrů (tj. pouhé tisíciny milimetru), jejich DNA není uzavřená v jádře a až na naprosté výjimky neobsahují žádné složitější struktury či "buněčné orgány", organely.

Oproti tomu buňky nejrůznějších skupin prvoků, případně mnohobuněčných živočichů, rostlin a hub, které mají mezi prvoky předky, jsou daleko větší a složitější. Měří nejméně desítky až stovky mikrometrů, obsahují řádově víc DNA než buňky bakterií či archeí a jejich DNA je uzavřená v jádře.

Kvůli poslední jmenované vlastnosti nesou tyto buňky název eukaryotické, což v překladu z latiny znamená, že mají pravé jádro. Jejich vnitřní stavba je složitá, můžeme u nich nalézt například jakési mnohoúčelové vnitřní bílkovinné lešení, a také řadu organel. Všechny z nich jsou důležité pro přežití buněk, výsadní místo mezi nimi však patří pověstným "buněčným elektrárnám", mitochondriím.

Nejen, že jsou mitochondrie nedílnou součástí eukaryotických buněk – ony dokonce stály přímo u jejich vzniku! Před jednou až dvěma miliardami let splynula buňka ze skupiny Archea s bakterií schopnou zužitkovat kyslík. Odborníci se zatím neshodnou, jestli šlo o vzájemně prospěšnou symbiózu, nebo zda archeální předek eukaryot svou bakteriální kolegyni prostě sežral, ale už nedokázal strávit.

Stejně tak není úplně jasné, jestli se těchto událostí neúčastnili také zástupci dalších bakteriálních skupin nebo dokonce viry. Výsledek byl však jasný – bakterie se nadobro usídlila v archeální buňce.

Archeální buňka, která původně preferovala bezkyslíkatá prostředí, najednou s pomocí bakterie mohla využívat pomalu přibývajícího kyslíku k energeticky výnosnějším metabolickým pochodům. To ji a jejím následovníkům umožnilo vyvinout se ve složitější a energeticky náročnější buňky, jaké dnes tvoří třeba i naše těla.

Pohlcená bakterie se v průběhu evoluce naučila předávat do dalších generací, zjednodušila se, pozbyla všechny znaky, které ji uvnitř druhé buňky nebyly k ničemu a přesunula většinu svých genů do jádra hostitele – stala se z ní mitochondrie.

Mitochondrie je dnes nedílnou součástí všech eukaryotických buněk. K její výrazné změně došlo jen u několika skupin prvoků, které se vrátily do bezkyslíkatých prostředí. Zástupci těchto skupin také byli nějakou dobu považování za organismy bez mitochondrií, ve všech případech ale vědci nějaký zbytek této organely objevili.

Kámen úrazu je totiž v tom, že mitochondrie nezodpovídají jen za buněčné dýchání a potažmo získávání energie, ale také řadu dalších důležitých buněčných procesů. Jedním z nejvýznamnějších je vytváření železito-sirných jadérek tvořících základ mnoha pro život nezbytných enzymů.

Původní systém výroby těchto jader eukaryotické buňky ztratily a nahradily jej s pomocí mitochondrie. Z toho ovšem vyplývá, že alespoň základy mitochondrie si musí zachovat všechny eukaryotické organismy.

Při průzkumu prvoků rodu Monocercomonoides, střevního symbionta některých skupin živočichů, ovšem čeští protistologové žádné známky po "buněčné elektrárně" neobjevili. Monocercomonoides je ovšem příbuzný třeba bičence poševní nebo průjmy způsobující giardii, tedy organismům, které jsou známé svou redukovanou mitochondrií. Proto se výzkumníci rozhodli ověřit přítomnost nebo nepřítomnost mitochondrie s pomocí molekulárně-biologických dat.

Analyzovali genom prvoka Monocercomonoides a s pomocí databází funkcí známých genů prozkoumali, kolik nalezených genů úzce souvisí s funkcí mitochondrie nebo je do ní transportováno. U všech organismů, dokonce i těch s velmi redukovanými mitochondriemi, se takových genů nachází velké množství. Ne tak u Monocercomonoides.

Geny spjaté s mitochondrií u ní takřka úplně chybí. Těch pár jednotlivých genů, které by s touto organelou teoreticky mohly souviset, má tak nejasnou nebo obecnou funkci, že nestojí za řeč. Zároveň je jasné, že předek Monocercomonoides mitochondrii obsahoval, neboť všichni blízcí příbuzní tohoto rodu tuto organelu, nebo alespoň její zbytek, nesou.

Mitochondriální geny se ovšem neobjevily ani při porovnání s těmito příbuznými. Monocercomonoides svou "buněčnou elektrárnu" zkrátka kompletně ztratil. Jak se ale vyrovnal se ztrátou mašinerie na výrobu železito-sirných jadérek?

Zřejmě docela jednoduše. Ještě před ztrátou mitochondrie se do jeho genomu, například prostřednictvím viru, dostalo několik genů ze systému pro výrobu těchto jadérek u bakterií a archeí. Jakmile měl organismus dva způsoby, jak nezbytné součástky vyrobit, jeden si mohl dovolit ztratit. Nejspíš náhodou při tom došlo na systém mitochondriální a spolu s ním vymizela u tohoto rodu i organela samotná.

Zdroj: Karnkowska A, Vacek V, Zubáčová Z, Treitli SC, Petrželková R, Eme L, Novák L, Žárský V, Barlow LD, Herman EK, Soukal P, Hroudová M, Doležal P, Stairs CW, Roger AJ, Eliáš M, Dacks JB, Vlček Č & Hampl V (2016): A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle. Current Biology, online.

Tagy: česká věda věda a poznání mitochondrie mikrobiologie protistologie

Zdroje: Vlastní