Парамеция встречает цианобактерию: Как два становятся одним

Международная междисциплинарная исследовательская группа в рамках проекта «1+1=1» изучает, как можно целенаправленно создать синтетический симбиоз между микроорганизмами и что это раскрывает о формировании сложных клеточных структур. В проекте участвуют исследователи из Института бионаук и наук о Земле Исследовательского центра Юлиха.

Растения — продукт древнего симбиоза

Около миллиарда лет назад одноклеточный организм с ядром поглотил цианобактерию, способную к фотосинтезу. Вместо того чтобы переварить её, они начали тесное сотрудничество: маленький партнёр поставлял сахар и кислород, а большая клетка-хозяин обеспечивала защиту и питательные вещества. В ходе эволюции цианобактерия стала неотъемлемой частью клетки — хлоропластом. Так возникли первые растения.

Воссоздание симбиоза в лаборатории

Цель проекта — наблюдать в контролируемых условиях, как один организм вступает в симбиотические отношения с другим. В качестве клетки-хозяина используется Paramecium bursaria, которая в природе образует естественный симбиоз с водорослью Chlorella vulgaris. Исследователи хотят выяснить, может ли парамеция также слиться или сотрудничать с цианобактериями.

Для этого учёные целенаправленно генетически модифицировали цианобактерии, чтобы те получили способность выделять молекулы сахара — свойство, которым они обычно не обладают, — чтобы «привлечь» парамецию к симбиозу.

Высокие технологии для древнего вопроса

Эксперименты проводятся в специально разработанных в Юлихе микрочипах, которые позволяют точно контролировать свет, температуру и доступность питательных веществ. Учёные намеренно подвергают парамеций стрессу, надеясь, что те примут искусственных симбионтов.

С помощью автоматизированной микроскопии высокого разрешения исследователи документируют тысячи таких взаимодействий и анализируют их с помощью собственных методов ИИ-анализа изображений. Особенно перспективные случаи затем изучаются с помощью современной 3D-электронной микроскопии, чтобы выявить тонкие архитектурные изменения в клетке.

«Я постоянно поражаюсь сложности биологических и биохимических процессов, которые создала эволюция, и тому, как мало мы о них понимаем», — говорит руководитель проекта д-р Дитрих Кольхайер из Исследовательского центра Юлиха.

Хотя это фундаментальное исследование, потенциальные применения далеко идущие. Новые знания и технологии могут привести к многочисленным разработкам в медицине и биотехнологии — например, для изучения микробиома и здоровья кишечника, для новых противомикробных агентов или для промышленной циркулярной экономики через микробное производство веществ. В долгосрочной перспективе результаты проекта могут помочь в разработке новых терапий, создании устойчивых производственных процессов или улучшении стратегий защиты растений.