The Mystery of Missing Genes του Mistletoe
Οι παραδόσεις των εορτών που εκτείνονται εδώ και αιώνες έχουν συνδέσει τον χειμερινό ρομαντισμό με διακοσμητικά κλαδάκια γκι. Ο τρόπος με τον οποίο τα στρογγυλεμένα αειθαλή φύλλα και τα λευκά μούρα του φυτού αγκαλιάζουν σφιχτά τα κλαδιά των δέντρων στα οποία αναπτύσσεται, πιθανώς ενέπνευσε αυτόν τον συσχετισμό. Η αλήθεια για αυτήν τη βοτανική οικειότητα είναι λιγότερο ρομαντική:το γκι είναι ένα είδος παρασίτου. Τα φύλλα του παράγουν σάκχαρα με φωτοσύνθεση, αλλά αντί για ρίζες, έχει δομές που τρυπούν τους ζωτικούς ιστούς του δέντρου-ξενιστή για να απορροφήσουν θρεπτικά συστατικά και νερό.
Αλλά αυτή η αλληλεξάρτηση πηγαίνει ακόμη πιο βαθιά και οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να συνειδητοποιούν τους τρόπους με τους οποίους τα γκι είναι μοναδικά σε μοριακό επίπεδο εξαιτίας της. Τα κύτταρα όλων των πολυκύτταρων οργανισμών βασίζονται στα οργανίδια που ονομάζονται μιτοχόνδρια για να παράγουν το βιοχημικό τους καύσιμο - όλοι οι πολυκύτταροι οργανισμοί εκτός από τα γκι, δηλαδή. Όχι μόνο τα μιτοχόνδριά τους παράγουν ελάχιστα ή καθόλου από αυτό το καύσιμο, αλλά έχουν χάσει πολλά από τα γονίδια που απαιτούνται για την παραγωγή του. Στα λίγα χρόνια από τότε που οι βοτανολόγοι ανακάλυψαν αυτήν την ανωμαλία, οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο προσπάθησαν με περιορισμένη επιτυχία να καταλάβουν πώς τα γκι καταφέρνουν αυτό το κόλπο.
Τα Cellular Powerhouses είναι εκτός σύνδεσης
Ο πρώτος υπαινιγμός ότι τα γκι ήταν πραγματικά sui generis παρουσιάστηκε το 2015 στο Διεθνές Συνέδριο για τη Μιτοχονδριακή Βιολογία Φυτών στο Βρότσλαβ της Πολωνίας, από την Elizabeth Skippington, τότε μεταδιδακτορική υπότροφο στο εργαστήριο του Jeffrey Palmer στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα. Κατέπληξε το μικρό επιστημονικό κοινό με στοιχεία που δημοσιεύθηκαν αργότερα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών ότι ένα είδος γκι (Viscum scurruloideum ) είχε ένα εξαιρετικά μικροσκοπικό μιτοχονδριακό γονιδίωμα και δεν διέθετε βασικές πρωτεΐνες που πιστεύεται ότι απαιτούνται για την αναπνοή - τη χημική οδό που επιτρέπει στα μιτοχόνδρια να παράγουν τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), το μοριακό καύσιμο των κυττάρων.
«Ένιωθα ότι όλοι κρατούσαν την αναπνοή τους», είπε η Jennifer Senkler, βιοχημικός φυτών στο Πανεπιστήμιο Leibniz στη Γερμανία, που παρακολούθησε την ομιλία. "Στο επόμενο διάλειμμα, όλοι κουβέντιαζαν ενθουσιασμένοι για αυτό και έκαναν εικασίες για το πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει."
Αναρωτήθηκαν μήπως η Σκίπινγκτον έχασε τα γονίδια επειδή είχαν γίνει αγνώριστα ή αν υπήρχε κάποιο λάθος στις μεθόδους της. Ή ίσως τα γονίδια είχαν μετακινηθεί στο πυρηνικό γονιδίωμα - αυτό είναι κάτι που μπορεί να συμβεί με τα μιτοχονδριακά γονίδια, τελικά, και τα τεράστια γονιδιώματα των γκι (περίπου 24 φορές το μέγεθος του δικού μας) έχουν μέχρι στιγμής εμπόδια στην αλληλουχία ολόκληρου του γονιδιώματος. Όλοι ήταν πρόθυμοι να λύσουν το μυστήριο των γονιδίων που έλειπαν.
"Αρχίσαμε να αστειευόμαστε με τους ερευνητές που έπεσαν από δέντρα στην προσπάθειά τους να βάλουν στα χέρια τους φυτά γκι", έγραψε ο Senkler σε ένα email στο Quanta. Πράγματι, μόλις εκείνη και οι συνάδελφοί της επέστρεψαν στη Γερμανία, «αγοράσαμε ένα μακρύ κόφτη κλαδιών και αρχίσαμε να συλλέγουμε γκι».
Δεν ήταν οι μόνοι. Όχι πολύ μακριά από το εργαστήριο του Senkler στο Αννόβερο, στο Ινστιτούτο Μοριακής Φυσιολογίας Φυτών Max Planck στο Πότσνταμ-Γκολμ, ο βιοχημικός Etienne Meyer ξεκίνησε μια δική του έρευνα. Και στο John Innes Centre στο Νόριτς της Αγγλίας, ο Janneke Balk με παρόμοιο τρόπο αποφάσισε να σκάψει στα μιτοχόνδρια του γκι. Η ομάδα του Balk προσέγγισε σύντομα το Meyer και τα δύο εργαστήρια ένωσαν τις δυνάμεις τους, αν και συνέχισαν να εκτελούν τα πειράματά τους παράλληλα ως επί το πλείστον για να διασφαλίσουν ότι τα αποτελέσματα θα επαναλαμβάνονταν. «Αυτό είναι που κάνει την ιστορία ακόμα πιο σταθερή», είπε ο Meyer.
Στο τέλος, και οι τρεις ερευνητικές ομάδες κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα:Τα μιτοχόνδρια του γκι δεν εκτελούν την ίδια διαδικασία παραγωγής ATP με τα μιτοχόνδρια όλων των άλλων φυτών, μυκήτων και ζώων. Τα γονίδια για τα οποία είπε ο Skippington έχουν πραγματικά εξαφανιστεί, δεν έχουν μεταλλαχθεί ή επανατοποθετηθεί. Και μέχρι στιγμής, κανείς δεν ξέρει πώς επιβιώνουν τα γκι χωρίς αυτά.
Μεταβολικοί τσιγκούνηδες
Σε όλες τις άλλες πολυκύτταρες ζωές που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα - και στους περισσότερους μονοκύτταρους ευκαρυώτες, τα μιτοχόνδρια παράγουν ATP σε μια διαδικασία πέντε βημάτων. Κάθε βήμα εκτελείται από μια ξεχωριστή σουίτα πρωτεϊνών, σύμπλοκα I-V. «Και ένα από αυτά, το πρώτο σύμπλεγμα, λείπει τελείως στα γκι», είπε η Gitte Petersen, βοτανολόγος στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης στη Σουηδία.
Εκπαιδευμένος ως συστηματιστής φυτών, ο Petersen στην αρχή σκέφτηκε ότι ίσως αυτή η απώλεια του συμπλέγματος I μπορεί να είναι κοινή. Αλλά όταν αυτή και οι συνάδελφοί της έλεγξαν άλλες εννέα ομάδες παρασιτικών φυτών, οι υπόλοιπες ήταν φυσιολογικές. Κάτι ιδιαίτερο φαίνεται ότι συνέβη μόνο στα γκι.
Όσο για το πώς τα γκι αντισταθμίζουν την απώλεια αυτών των απίστευτα σημαντικών γονιδίων, «μπορούμε μόνο να κάνουμε εικασίες», είπε ο Meyer.
Τα πειράματα δείχνουν ότι τα γκι παράγουν κάποιο ATP. είναι απλώς ασαφές εάν τα μιτοχόνδριά τους παίζουν μεγάλο ρόλο σε αυτό. Η συνεργασία των Meyer και Balk διαπίστωσε ότι τα φυτά παράγουν περισσότερες πρωτεΐνες για χρήση στη γλυκόλυση, μια αναποτελεσματική μέθοδος διαχωρισμού των σακχάρων για την παραγωγή ATP που βρίσκεται σε όλα τα κύτταρα. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν μπόρεσαν να προσδιορίσουν ακριβώς πόσο ATP παράγουν τα φυτά με αυτόν τον τρόπο.
Ωστόσο, η αύξηση της γλυκόλυσης αρκετά ώστε να ανταγωνιστεί τη συνήθη παραγωγή ATP των μιτοχονδρίων θα απαιτούσε πολύ περισσότερη ζάχαρη. Η πεποίθηση του Meyer είναι ότι τα γκι κλέβουν ζάχαρη από τον ξενιστή τους, μαζί με νερό και μέταλλα. Μπορεί ακόμη και να φωτοσυνθέτουν πιο πυρετωδώς από άλλα φυτά για να κάνουν επιπλέον σάκχαρα για να κάψουν, αν και ο Meyer χαρακτηρίζει αυτή την ιδέα "εξαιρετικά υποθετική".
Τα γκι μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν απλώς ενέργεια με τσιγκουνιά σαν του Σκρουτζ. Τόσο ο Senkler όσο και ο Petersen τόνισαν ότι ένας παρασιτικός τρόπος ζωής και η αργή ανάπτυξη θα μπορούσαν να επιτρέψουν στα γκι να επιβιώσουν με χαμηλές ποσότητες ATP. Στην πραγματικότητα, "το γκι μπορεί να μας διδάξει ένα μάθημα για το πώς να επιβιώσουμε σε συνθήκες περιορισμού της ενέργειας", είπε ο Senkler.
Πολύ περίπλοκο για να το διατηρήσετε;
Όσο κι αν τα γκι τα καταφέρνουν με τα ελλιπή μιτοχόνδριά τους, το μεγάλο αναπάντητο ερώτημα είναι γιατί αυτά τα φυτά κατάργησαν κάτι τόσο φαινομενικά χρήσιμο.
Η υποψία του Σενκλέρ είναι ότι ήμουν πολύ βαρύς για να κρατήσω τον κόμπλεξ. Αποτελείται από περίπου 50 πρωτεΐνες που πρέπει να κατασκευαστούν σε διαφορετικά υποδιαμερίσματα του κυττάρου, να συναρμολογηθούν και να χωρέσουν στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Το ενεργειακό κόστος όλων αυτών είναι σημαντικό, ακόμα κι αν σημαίνει περισσότερη ενέργεια μακροπρόθεσμα, και «τα γκι φαίνεται να αποφεύγουν διαδικασίες που απαιτούν πολλή ενέργεια», είπε.
Η απομάκρυνση των ενεργειακά δαπανηρών χαρακτηριστικών ή η «αναγωγική εξέλιξη», είναι ένα κοινό θέμα στα παράσιτα, σημείωσε ο Meyer. Και η απώλεια αυτής της συγκεκριμένης σειράς πρωτεϊνών μπορεί να έχει επιπλέον οφέλη. Επειδή το σύμπλεγμα I εκπέμπει μόρια υψηλής αντίδρασης που μπορούν να προκαλέσουν κυτταρική βλάβη, η απώλεια του θα μπορούσε να κάνει τα φυτά πιο ανθεκτικά στο στρες. Παρόμοιες απώλειες μιτοχονδριακών γονιδίων παρατηρούνται συχνά σε καρκινικά κύτταρα, και αυτός είναι εν μέρει ο λόγος που τα κακοήθη κύτταρα μπορούν συχνά να επιβιώσουν σε συνθήκες που άλλα κύτταρα δεν θα μπορούσαν να επιβιώσουν.
Αλλά ο Petersen δεν είναι πεπεισμένος ότι η απώλεια είναι καθόλου ευεργετική. Θα μπορούσε να συμβεί κάτι σαν μια καταστροφική μετάλλαξη στα γκι νωρίς στην εξέλιξη της ομάδας τους, κάτι που κατά λάθος εξάλειψε την ικανότητά τους να κάνουν περίπλοκο Ι. ο τρόπος ζωής πρόσφερε τρόπους αντιστάθμισης. Είναι περίεργη για το εάν η πρόσθετη γενετική αλληλουχία θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να καταλάβουν πότε συνέβη η απώλεια και εάν τα φυτά ήταν ήδη παρασιτικά.
Αν όντως αποδειχθεί ότι η απώλεια του συμπλέγματος των φυτών ήταν τυχαία κακή τύχη, τότε ίσως τα γκι να είναι ακριβώς όπως οι υπόλοιποι από εμάς:Κάνουν ό,τι χρειάζεται για να επιβιώσουν στις διακοπές.
