Не так ли усложнялась жизнь?

В эксперименте скопление дрожжевых клеток (показаны зеленым) имеет преимущество перед отдельными клетками (красные): клетки, образующие скопление, захватывают пищу, созданную их соседями, которая иначе не была бы использована. Ученые считают, что такой сценарий может помочь объяснить эволюционный переход к многоклеточности. (Фото: John Koschwanez)

Первый переход от простых одноклеточных организмов к группам кооперированных клеток, как считается, произошел немногим более 2 миллиардов лет назад. Такое многоклеточное устройство было шагом вперед на пути к более сложным организмам, обладающим различными типами клеток, выполняющих разные функции, такими как эритроциты, способные переносить кислород и обеспечивать им весь организм.

Одноклеточная жизнь, возможно, трансформировалась в многоклеточную форму, чтобы более эффективно использовать пищевые ресурсы. Такой вывод вытекает из лабораторного исследования, показавшего, что скопления клеток пивных дрожжей способны более эффективно поглощать питательнее вещества, чем одиночные клетки.

Группа ученых под руководством профессора Гарвардского университета Эндрю Мюррея (Andrew Murray) создала то, что, по их мнению, может быть аналогом ранней формы межклеточной кооперации, показав, что клетки дрожжей – в условиях, требующих от них определенных усилий, чтобы обеспечить себя питанием – растут и размножаются лучше в многоклеточных скоплениях, чем поодиночке. Клетки, образующие такие скопления, способны более эффективно поглощать сахара из окружающей среды, чем это делают такие же клетки, живущие в изоляции.

Эксперименты показали, что в среде с растворенным источником питания дрожжей – сахарами – и небольшим количеством дрожжевых клеток способность образовывать скопления позволяет клеткам, в противном случае оставшимся бы голодными и статичными, расти и делиться.

Исследование, опубликованное в журнале с открытым доступом PLoS Biology, проводилась на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, которые обычно используются в производстве алкогольной и хлебопекарной продукции, а также учеными в качестве модельного организма для изучения жизни одноклеточных. Профессор Мюррей и его коллеги разработали серию экспериментов, в которых дрожжам, чтобы получать достаточно пищи и расти и делиться, нужно было решить две проблемы: первая – как превратить сахарозу из непригодной в пригодную для питания форму; вторая – как ее реально усваивать.

Дрожжи были помещены в раствор сахарозы – старого доброго сахара – состоящей из двух более простых сахаров – глюкозы и фруктозы. Дрожжи живут на сахаре, но нерасщепленная сахароза не может поступать внутрь клетки из-за окружающей ее мембраны. Поэтому они вырабатывают фермент, называемый инвертазой, расщепляющий сахарозу на глюкозу и фруктозу, каждая из которых импортируется в клетку молекулами-переносчиками, являющимися частью клеточной мембраны. Так решается первая проблема.

Вторая проблема заключается в том, чтобы доставить глюкозу и фруктозу от места их образования инвертазой к находящимся в клеточной мембране переносчикам. Поскольку большая часть этих простых сахаров диффундирует в окружающую среду, дрожжевой клетке достается очень мало, из того, что она сделала. Единственным путем поступления простых сахаров к мембране является та же диффузия – очень неэффективный процесс. В конечном итоге только 1 из каждых 100 образованных с помощью инвертазы пригодных для использования молекул простых сахаров будет усвоена самой клеткой.

Ученые подсчитали, что «работая» в одиночку, дрожжевая клетка в растворе сахарозы никогда не получит достаточного количества глюкозы и фруктозы, чтобы быть в состоянии расти и делиться. Но в кооперации с другими клетками у нее появляется шанс. Несколько находящихся в непосредственной близости друг от друга клеток, каждая из которых вырабатывает инвертазу, увеличивают плотность простых сахаров около клеточного скопления, повышая шансы каждой из клеток получить количество питательных веществ, достаточное для роста и деления. Проверив эти гипотезы на двух штаммах дрожжей, один из которых не способен образовывать скопления, ученые убедились в их состоятельности.

По словам Мюррея, это исследование предлагает одно из объяснений того, почему на заре истории одноклеточные организмы могли начать объединяться, хотя окончательно доказать, что все происходило именно так, невозможно.

«Так как в таких условиях слипание дает преимущество, и мы знаем, что для получения питательных веществ из окружающей среды очень многие одноклеточные организмы вырабатывают ферменты, это может оказаться той эволюционной силой, которая привела к многоклеточности», - высказывает предположение Мюррей. «Хотя, лишенные возможности путешествовать во времени и вернуться на несколько миллиардов лет назад, чтобы посмотреть, так ли именно это происходило… мы можем только предполагать».

По материалам

Is this how simple life got complicated?

Оригинальная статья Sucrose Utilization in Budding Yeast as a Model for the Origin of Undifferentiated Multicellularity

© «Не так ли усложнялась жизнь?». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу К истокам живого. Письменное разрешение обязательно.