Как простая жизнь стала сложной? Новый эксперимент с дрожжами

Исследователи создали модель, демонстрирующую, как могло выглядеть первое мультиклеточное сотрудничество. Оказалось, что дрожжевые клетки в среде, где им приходится «добывать» пищу, растут и размножаются лучше в многоклеточных скоплениях, чем поодиночке.

Команда под руководством профессора Гарварда Эндрю Мюррея обнаружила, что клетки пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae, сбивающиеся в комки, эффективнее манипулировали и поглощали сахара из окружающей среды, чем одиночные клетки. В условиях разбавленного источника сахара и малого числа клеток способность к агрегации позволяла клеткам расти и делиться, тогда как в одиночку они оставались голодными и статичными.

Экспериментальная система

Учёные поместили дрожжи в раствор сахарозы (столового сахара), состоящей из глюкозы и фруктозы. Дрожжи питаются сахаром, но сахароза не может проникнуть через клеточную мембрану. Поэтому дрожжи производят фермент инвертазу, который расщепляет сахарозу на глюкозу и фруктозу. Эти простые сахара уже могут попасть в клетку через специальные транспортёры в мембране.

Проблема эффективности

Главной проблемой была доставка глюкозы и фруктозы от места расщепления сахарозы инвертазой до транспортёров в мембране. Этот процесс происходит только путём диффузии, который крайне неэффективен в разбавленном растворе. Расчёты показали, что из каждых 100 молекул сахара, которые клетка производит с помощью инвертазы, она захватывает лишь одну. Одиночная клетка в таких условиях никогда не смогла бы поглотить достаточно пищи для роста и деления.

Решение через кооперацию

В многоклеточном скоплении ситуация меняется. Несколько клеток в непосредственной близости, выделяя инвертазу, совместно повышают концентрацию простых сахаров вокруг всего кластера. Это увеличивает шансы каждой клетки захватить достаточное количество пищи. Эксперименты подтвердили эту гипотезу: штамм дрожжей, образующий скопления, рос и делился, в то время как одиночные клетки — нет.

Эволюционный контекст

Как отметил Мюррей, эта работа предлагает одно из возможных объяснений, почему одноклеточные организмы могли начать объединяться в глубокой истории жизни. «Поскольку в этих обстоятельствах есть преимущество в том, чтобы держаться вместе, и поскольку мы знаем, что многие одноклеточные организмы производят ферменты для добычи ресурсов из окружающей среды, это может быть эволюционной силой, приведшей к многоклеточности», — сказал учёный. При этом он подчеркнул, что без «изобретения машины времени» это останется научной гипотезой.

Исследование опубликовано 9 августа в открытом онлайн-журнале PLoS Biology.