Το νέο γονιδίωμα καλαμαριού φωτίζει τη συμβιωτική εξέλιξη
Κάθε βράδυ, νυχτερινά καλαμάρια της Χαβάης (Euprymna scolopes ) βγαίνουν από τα λαγούμια τους σε ρηχά νερά του Ειρηνικού για να κυνηγήσουν γαρίδες. Αυτά τα κεφαλόποδα με μαλακό σώμα, σε μέγεθος μπάλας του γκολφ, δεν έχουν πολλά να τα προστατεύσουν από αρπακτικά όπως φώκιες, χέλια και ψάρια. Έτσι βασίζονται σε έναν άλλο οργανισμό για να βοηθήσουν:το βακτήριο Vibrio fischeri . Αυτό το μικρόβιο ζει σε ένα όργανο που είναι ενσωματωμένο στον σάκο μελανιού του καλαμαριού και εκπέμπει φως καθ' όλη τη διάρκεια της νύχτας ώστε να ταιριάζει με τον φωτισμό του φεγγαριού.
«Βασικά λειτουργεί σαν ένας μικρός μανδύας αορατότητας για το καλαμάρι», είπε ο Τζέιμι Φόστερ, μικροβιολόγος στο Space Life Sciences Lab στο Πανεπιστήμιο της Φλόριντα. Σε αντάλλαγμα για βοήθεια με καμουφλάζ που προστατεύει από τα αρπακτικά, το καλαμάρι προσφέρει σάκχαρα για να ταΐσει τα βακτήρια και να τα παρασύρει στο όργανο.
Αυτή η αμοιβαία επωφελής σχέση έχει εξελιχθεί εδώ και εκατομμύρια χρόνια και είναι ένα από τα πολυάριθμα παραδείγματα του τρόπου με τον οποίο πολυκύτταρα ζώα και μικρόβια συνεργάζονται για να αυξήσουν τις πιθανότητες επιβίωσής τους. Αλλά οι επιστήμονες εξακολουθούν να γνωρίζουν ελάχιστα για το πώς εξελίσσονται αυτές οι σχέσεις ή τι ωθεί τα ζώα να αναπτύξουν εξειδικευμένα όργανα που ενθαρρύνουν αυτές τις συμβίωση.
Τώρα, ο Foster και μια διεθνής ομάδα ερευνητών χαρτογράφησαν το γονιδίωμα ενός καλαμαριού της Χαβάης, δημιουργώντας ένα νέο εργαλείο για να εξερευνήσουν αυτά τα ερωτήματα. Αναλύοντας το γονιδίωμα του καλαμαριού, η ομάδα έχει ήδη ανακαλύψει ότι η εξέλιξη του ελαφρού οργάνου του ακολούθησε μια εντελώς διαφορετική οδό από εκείνη ενός δεύτερου συμβιωτικού οργάνου, το οποίο υποστηρίζει την αναπαραγωγή. Δημοσιεύτηκε στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών , τα ευρήματα θέτουν τις βάσεις για μελλοντικές μελέτες αλληλεπιδράσεων ζώων-μικροβίων, συμπεριλαμβανομένων αυτών σε ανθρώπους.
Αυτή η εργασία σηματοδοτεί επίσης την ολοκλήρωση του πρώτου γονιδιώματος για ένα καλαμάρι — και μόνο του δεύτερου για ένα κεφαλόποδα οποιουδήποτε είδους, μετά τη δημοσίευση ενός χάρτη γονιδιώματος για το χταπόδι το 2015. «Το να έχουμε το γονιδίωμα διαθέσιμο θα είναι μια τεράστια πηγή για την πεδίο μελέτης συμβιωτικών σχέσεων», δήλωσε ο Cliff Ragsdale, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που βοήθησε στη χαρτογράφηση του γονιδιώματος του χταποδιού αλλά δεν συμμετείχε σε αυτή τη νέα μελέτη.
Δεδομένων των πλοκαμιών τους, του δέρματος που αλλάζει χρώμα και άλλων βιολογικών καινοτομιών, τα καλαμάρια bobtail μπορεί να μην φαίνονται ως οι πιο προφανείς υποψήφιοι για να βοηθήσουν στη μελέτη της συμβίωσης σε ανθρώπους ή άλλα ζώα. Αλλά οι επιστήμονες έχουν μελετήσει αυτό το είδος ως μοντέλο συμβίωσης για περισσότερες από τρεις δεκαετίες. «Μοιραζόμαστε πολλά γονίδια και μοιραζόμαστε πολλά [γενετικά] μονοπάτια, έτσι μπορούμε να μάθουμε πολλά από αυτά τα μοντέλα συστημάτων για τη δική μας υγεία», είπε ο Foster. Για παράδειγμα, σημείωσε, οι άνθρωποι και τα καλαμάρια μοιράζονται μερικά από τα ίδια συστατικά του ανοσοποιητικού συστήματος. Στην πραγματικότητα, το ανοσοποιητικό μας σύστημα είναι τόσο συγκρίσιμα που ο Φόστερ στέλνει καλαμάρια στο διάστημα για να μάθει περισσότερα για την ανθρώπινη ανοσολογική απόκριση στις διαστημικές πτήσεις.
Εκτός από αυτά τα χρήσιμα κοινά χαρακτηριστικά, το καλαμάρι bobtail έχει μια μοναδική ποιότητα που προσφέρεται για μελέτες συμβίωσης. Αντί να συνεργαστεί με μια κοινοπραξία βακτηρίων, όπως κάνουν το ανθρώπινο έντερο και τα περισσότερα άλλα συμβιωτικά όργανα σε όλη τη φύση, το ελαφρύ όργανο του καλαμαριού bobtail καλλιεργεί μια αυστηρά μονογαμική σχέση με τον V. fischeri . Το ανοσοποιητικό σύστημα του καλαμαριού αναγνωρίζει και τρέφει μόνο αυτόν τον τύπο βακτηρίων μέσα στο ελαφρύ όργανο, αποκρούοντας όλους τους άλλους μνηστήρες. «Επειδή έχουμε απλώς έναν οικοδεσπότη και έναν συμβιωτή, είναι πιο εύκολο για εμάς να ξεχωρίσουμε τι συμβαίνει», είπε ο Spencer Nyholm, ειδικός συμβίωσης στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ και συν-συγγραφέας της μελέτης.
Με το γονιδίωμα τώρα χαρτογραφημένο, οι ερευνητές μπορούν να κάνουν το επόμενο βήμα και να εξερευνήσουν την προέλευση των ανατομικών θέσεων όπου ξεδιπλώνονται αυτές οι σχέσεις. Στην περίπτωση του οργάνου φωτός, το καλαμάρι έπρεπε να μπορεί να παρακολουθεί και να ρυθμίζει το φως που εκπέμπει ώστε να ταιριάζει με το φως στον ουρανό. «Χρειάζονταν έναν τρόπο να κάνουν ουσιαστικά κάτι παρόμοιο με το μάτι», είπε ο Nyholm. Και, πράγματι, η ομάδα βρήκε ενεργά γονίδια στο φωτεινό όργανο που χρησιμοποιούνται επίσης εκτενώς στο μάτι του καλαμαριού, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που παράγουν υψηλή συγκέντρωση ανακλαστικών πρωτεϊνών που ονομάζονται αντανακλάσεις. Το καλαμάρι φαίνεται να έχει διπλά και τροποποιημένα γονίδια που είχε ήδη διαθέσιμα για να δημιουργήσει αυτό το χρήσιμο νέο όργανο — το οποίο τυχαίνει να περιλαμβάνει και φακό που μοιάζει με μάτι.
Το δεύτερο συμβιωτικό όργανο που μελέτησε η ομάδα, ο βοηθητικός νινιδιακός αδένας (ANG), προέκυψε με διαφορετικό τρόπο. Το ANG βρίσκεται μόνο στα θηλυκά και παράγει μια ζελατινώδη επικάλυψη με βακτήρια που προστατεύει τα αυγά του καλαμαριού από τη μόλυνση από άλλα μικρόβια αποικισμού. Το όργανο φιλοξενεί πολλούς τύπους βακτηρίων και εκφράζει έντονα νέα γονίδια που δεν είναι ενεργά πουθενά αλλού στο σώμα του καλαμαριού - ούτε σε οποιοδήποτε άλλο καλαμάρι. "Έπρεπε να δημιουργήσει αυτά τα γονίδια για να εξελιχθεί αυτό το όργανο", είπε ο Nyholm.
Ενώ τα δύο όργανα εξελίχθηκαν χωριστά, και τα δύο φαίνεται ότι εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα στην εξέλιξη των καλαμαριών - περίπου πριν από 30 εκατομμύρια χρόνια, στην περίπτωση του ελαφρού οργάνου. Αυτό είναι περίπου 240 εκατομμύρια χρόνια μετά την απόκλιση των καλαμαριών και των χταποδιών.
«Νομίζω ότι είναι μια τεράστια συνεισφορά», είπε η Angela Douglas, εντομολόγος που μελετά τη συμβίωση στο Πανεπιστήμιο Cornell και συγγραφέας του βιβλίου The Symbiotic Habit . Σημείωσε ότι, με το γονιδίωμα, οι ερευνητές θα πρέπει να μπορούν να αποκλείσουν ορισμένα σενάρια σχετικά με το πώς αυτά τα όργανα εξελίχθηκαν και να σκάψουν βαθύτερα στο πώς τα ζώα σχηματίζουν υγιείς σχέσεις με τα μικρόβια τους.
«Έχουμε αυτό το παράδειγμα ότι «τα μικρόβια είναι κακά», «η καθαριότητα είναι δίπλα στην ευσέβεια» και ότι τα ζώα είναι εξαιρετικά καλά στο να ανιχνεύουν μικροοργανισμούς και να τους σκοτώνουν», είπε ο Ντάγκλας. Και όμως πολλά πλάσματα συνήθως παρέχουν ένα βιότοπο για μικροοργανισμούς. «Όχι μόνο τους ανεχόμαστε», πρόσθεσε, «αλλά και πραγματικά τους χρειαζόμαστε».
Το νέο γονιδίωμα θα βοηθήσει επίσης τους ερευνητές να μελετήσουν πώς τα μικρόβια επηρεάζουν την εξέλιξη του ξενιστή και το αντίστροφο, δήλωσε ο David Bourne, θαλάσσιος βιολόγος στο Πανεπιστήμιο James Cook στο North Queensland της Αυστραλίας και συγγραφέας ενός πρόσφατου mBio χαρτί που τεκμηριώνει στοιχεία για αυτόν τον τύπο συνεξέλιξης σε μια ποικιλία θαλάσσιων ειδών. «Η εκπληκτική ποικιλομορφία και η αφθονία των μικροβίων καθιστά αποθαρρυντικό να αρχίσουμε να κατανοούμε αυτές τις έννοιες της συνεξέλιξης», είπε. Αλλά η απλότητα του μοντέλου καλαμαριού bobtail, και τώρα η διαθεσιμότητα του γονιδιώματος, θα βοηθήσουν στην αποκάλυψη μέρους αυτής της πολυπλοκότητας.
Οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους οι οργανισμοί βασίζονται στα μικρόβια υπερβαίνουν κατά πολύ το καμουφλάζ και την προστασία των αυγών. Για παράδειγμα, οι μέλισσες βασίζονται σε οκτώ διαφορετικούς τύπους βακτηρίων του εντέρου για να παραμείνουν υγιείς και οι αφίδες βασίζονται σε βακτήρια για να παράγουν αμινοξέα που δεν μπορούν εύκολα να βρουν στη διατροφή τους, σύμφωνα με τη Nancy Moran, μια εξελικτική βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. , ο οποίος επιμελήθηκε τη νέα εφημερίδα. Στις γονιδιωματικές μελέτες της Moran για τις αφίδες, ανακάλυψε ότι τα έντομα χτίζουν το όργανό τους που παράγει αμινοξέα με έναν συνδυασμό ανακυκλωμένων γονιδίων και νέων — «ή τουλάχιστον έχουν εξελιχθεί τόσο πολύ που δεν μπορείς να δεις με τι σχετίζονται πια», είπε.
Εκτός από τη διατροφή και τη στέγαση των μικροβίων τους, οι ξενιστές ζώων έχουν εξελιχθεί για να υποστηρίζουν το ευεργετικό έργο που κάνουν. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το καλαμάρι bobtail μπορεί να χρησιμοποιήσει τον σάκο μελανιού του σαν κλείστρο κάμερας για να ρυθμίσει την ποσότητα του φωτός που βγαίνει, είπε ο Nyholm. Και μερικά από τα αιμοσφαίρια του καλαμαριού φαίνεται να μπαίνουν στο όργανο του φωτός και να θυσιάζονται, απελευθερώνοντας κόκκους ζάχαρης στη διαδικασία. Στη συνέχεια, τα βακτήρια χρησιμοποιούν τη ζάχαρη για ζύμωση, η οποία δημιουργεί ένα όξινο περιβάλλον που βοηθά το ένζυμο που παράγει φως των βακτηρίων, τη λουσιφεράση, να παράγει φως.
Οι άνθρωποι έχουν εξελίξει συγκεκριμένα μικροπεριβάλλοντα που υποστηρίζουν επίσης τη μικροβιακή δραστηριότητα, επεσήμανε ο Nyholm. Το στομάχι είναι αρκετά όξινο, ενώ το κόλον είναι πιο αλκαλικό - και οι διαφορετικές μικροβιακές κοινότητες σε κάθε όργανο ευημερούν υπό αυτές τις αντίστοιχες συνθήκες. Όπως και στο καλαμάρι, το ανθρώπινο ανοσοποιητικό σύστημα έχει εξελιχθεί ώστε να αναγνωρίζει και να καλωσορίζει τους συμβιούχους του σε αυτές τις διαφορετικές τοποθεσίες.
Αλλά όταν τα σήματα πάνε στραβά και το ανοσοποιητικό μας σύστημα δεν μπορεί να αναγνωρίσει αυτά τα ευεργετικά βακτήρια, μπορεί να προκύψουν καταστάσεις όπως η φλεγμονώδης νόσος του εντέρου και άλλες ανοσολογικές διαταραχές, σημείωσε ο Nyholm. Έτσι, κατανοώντας πώς τα καλαμάρια επικοινωνούν με τα βακτήρια τους σε αυτά τα διαφορετικά περιβάλλοντα, οι ερευνητές μπορεί τελικά να καταλάβουν τη βάση ορισμένων από αυτές τις ασθένειες του ανοσοποιητικού, είπε.
Το πλεονέκτημα της μελέτης αυτής της συμβίωσης στο καλαμάρι είναι η φυσική του απλότητα:Ενώ το ανθρώπινο έντερο βρίθει από διάφορα μικρόβια και είναι δύσκολο να το δει κανείς, το ελαφρύ όργανο του καλαμαριού έχει σχέση ένας προς έναν με το V. fischeri και περιβάλλεται από διαφανές δέρμα. «Το σύστημα των καλαμαριών είναι εξαιρετικό για να μπορεί να παρακολουθεί πραγματικά τα βακτήρια που εισέρχονται στον ξενιστή», είπε ο Mark Mandel, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin, Madison, ο οποίος μελετά τη μικροβιακή συμβίωση σε καλαμάρια bobtail ως ανάλογο για άλλα συστήματα και δεν συμμετείχε. σε αυτή τη μελέτη.
Για να κάνουν το επόμενο βήμα στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα ζώα επικοινωνούν με τα μικρόβια τους, οι ερευνητές εργάζονται τώρα για να αναπτύξουν μεθόδους χειρισμού και εξουδετέρωσης γονιδίων στα καλαμάρια για να διερευνήσουν ποια είναι απαραίτητα για ποιες λειτουργίες. "Μπορείτε να αρχίσετε να κάνετε μεγαλύτερες ερωτήσεις", είπε ο Foster.
Και με πολλά άλλα γονιδιώματα κεφαλόποδων στα σκαριά προς ολοκλήρωση - συμπεριλαμβανομένων εκείνων που ανήκουν στο γιγάντιο καλαμάρι, το χταπόδι με μπλε δακτύλιο και άλλα - και με την τεχνολογία για την παραγωγή αυτών πιο εύκολα από ό,τι στο παρελθόν, οι ερευνητές θα είναι σύντομα καλύτερα εξοπλισμένοι για να Δείτε τι είναι μοναδικό για το καλαμάρι bobtail και τι μπορεί να είναι πιο καθολικό μεταξύ των κεφαλόποδων και άλλων ζώων, είπε ο Ragsdale.
Μόλις αυτά τα άλλα γονιδιώματα γίνουν διαθέσιμα, πιθανότατα μέσα στα επόμενα χρόνια, πρόσθεσε, «αυτό θα ανοίξει πραγματικά το πεδίο».
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις TheAtlantic.com .
