Skała pokryta siarką i Galdieria sulphuraria, gorące źródła na Islandii (autor: Christine Oesterhelt)

Jednokomórkowa czerwona alga Galdieria sulphuraria jest spotykana w gorących źródłach siarkowych, min. na Islandii czy w Parku Yellowstone. W dzień wykorzystuje energię słoneczną, by odżywiać się dzięki fotosyntezie.  Ale to nie wszystko - dobrze radzi sobie w ciemnych tunelach gorących źródeł, gdzie panuje pH zbliżone do kwasu akumulatorowego, z wysokimi stężeniami arsenu i metali ciężkich. Żywi się obecnymi tam bakteriami. Potrafi wykorzystać ponad 50 różnych źródeł węgla, włączając w to rzadkie cukry i alkohole polihydroksylowe.

Organizmy zdolne do życia w tak trudnym środowisku określamy mianem ekstremofilów. Posiadają specyficzne przystosowania, pozwalające im przetrwać wysoką temperaturę, silnie kwasowe lub zasadowe otoczenie, zasolenie, toksyny czy promieniowanie. Większość znanych ekstremofilów to prokarioty, rzadziej eukariotyczne rośliny czy zwierzęta.

W jaki sposób jednokomórkowy glon nabył taką elastyczność i odporność? Na to pytanie odpowiedział międzynarodowy, osiemnastoosobowy zespół badawczy kierowany przez Geralda Schoenknechta z Oklahoma State University, Andreasa Webera i Martina Lerchera z Heinrich-Heine-Universität w Dusseldorfie. Naukowcy zajęli sie dekodowaniem informacji genetycznej Galdieria sulphurari.

Zespół dokonał niezwykłego odkrycia: w genomie Galdieria znaleziono wyraźne dowody, świadczące o pożyczeniu genów od innych organizmów. Taki proces określany jest jako poziomy transfer genów. Wiele genów Galdieriaodpowiadających za przystosowania nie pochodziło od przodków alg, ale z bakterii lub archeonów.

Skała pokryta siarką i Galdieria sulphuraria, gorące źródła na Islandii (autor: Christine Oesterhelt)

Jak zaznaczyli naukowcy, proces jest typowy dla ewolucji bakterii. Jednak badana alga jest pierwszym odkrytym organizmem jądrowym (eukariotycznym), który zyskał przystosowanie do ekstremalnych warunków środowiska dzięki poziomemu transferowi genów.

Badania porównawcze genomu trwały ponad dziesięć lat. Dyrektor programowy finansującej badania NFS Matt Kane podkreśla, że odkrycie poszerza wiedzę o roli poziomego transferu genów, jako mechanizmie ewolucji  eukariotycznych organizmów.

Tolerancja algi Galdieriana ciepło pochodzi z genów obecnych w genomie w setkach kopii, a pochodzących z pojedynczego genu, który alga skopiowała miliony lat temu z archeobakterii. Zdolność do przetrwania toksycznego działania arsenu i rtęci glon zawdzięcza białkom transportowym i enzymom kodowanym przez geny pożyczone od bakterii żyjących w tym samym ekstremalnym środowisku. W taki sam sposób została pozyskana odporność na wysokie stężenia soli oraz umiejętność wykorzystania wielu źródeł pokarmu.

Do tej pory zakładano, że organizmy z jądrem komórkowym nie mogą łatwo kopiować genów z innych gatunków - dlatego zależne są od rozmnażania płciowego. W jaki sposób Galdieriapokonała tą barierę? - zastanawia się Andreas Weber. Glon pozyskał geny o ciekawych właściwościach od innych organizmów, zintegrował je w działającą sieć i dzięki temu rozwinął unikalne adaptacje i zdolności. Przez poziomy transfer genów zostało pozyskanych przynajmniej 5% z wszystkich genów kodujących białka.

Jak podkreśla Weber, glon jest spełnieniem marzeń dla biotechnologii. W przyszłości za pomocą inżynierii genetycznej będzie można wykorzystać białka odporności na stres z Galdieria w innych algach. Badania w tym kierunku są istotne dla produkcji biopaliw 3 generacji. Aby uzyskać wysoką wydajność, używane w tym procesie algi powinny mieć wysoką odporność na stres.

Przeczytaj również:

Ekspresja genów – część I. Rodzaje kwasów rybonukleinowych i kod genetyczny

Rewolucja w diagnostyce raka żołądka - nowy test bada wydychane powietrze

Seweryn Frasiński

Źródła:

US National Science Foundation

G. Schönknecht i wsp. 2013. Gene Transfer from Bacteria and Archaea Facilitated Evolution of an Extremophilic Eukaryote.  Science 339: 1207-1210