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酵母和大肠杆菌的混合物展示了线粒体可能是如何进化的

充满细菌的酵母可能会让科学家了解细胞能量来源。

细胞产生能量的细胞器,称为线粒体,被认为曾经是古菌,单细胞微生物捕获的细菌,是最早的生命形式之一。现在,几乎所有的真核细胞(有细胞核的细胞)都含有线粒体。起初,这种细菌可能以内共生体的形式生活在古菌体内,是与宿主合作的独立有机体。随着时间的推移,线粒体失去了许多基因,最终成为细胞不可或缺的一部分。

这种情况得到了遗传学的支持。但“如果你真的想要证明的东西是真的,“化学生物学家彼得·舒尔茨说,研究人员应该能够使在实验室里类似。舒尔茨,拉霍亚的斯克里普斯研究所,加州和他的同事创造了一个混合细胞融合两个受欢迎的实验室生物——面包酵母酿酒酵母和常见的肠道细菌大肠杆菌。

“这是一个开创性的方法,”墨西哥城墨西哥国立自治大学的进化生物学家Antonio Lazcano说,他没有参与实验。以前没有人制造过这样的杂交生物体。但他说,10月29日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的这项研究表明,将一个自由生存的有机体变成内共生体可能并不难。

要让细菌适应自己的生活并在另一种物种的细胞内生长并不容易。首先,研究人员必须给酵母和细菌一个合作的理由。

舒尔茨的团队在酵母线粒体中禁用了一个基因,因此在某些情况下,细胞器不能以三磷酸腺苷或ATP的形式产生化学能。大肠杆菌被设计成缺乏制造维生素B硫胺素所需的基因,而维生素B是细菌赖以生存的物质。研究小组还为细菌配备了一种转运蛋白,可以将ATP及其前体二磷酸腺苷(ADP)运进或运出细胞。当细菌被放入酵母细胞中时,细菌为ATP提供生存所需的酵母,酵母为细菌制造硫胺素。

不过,这并不是一个完美的安排。酵母一直在消化细菌。因此舒尔茨的团队在大肠杆菌中加入了沙眼衣原体细菌的诱捕蛋白,这种蛋白质可以活在人体细胞内,导致性传播疾病衣原体。诱捕蛋白质可以防止宿主细胞的消化室,即溶酶体聚集在一起,分解入侵的微生物。研究人员发现,装有蜗牛的大肠杆菌最终能够在酵母细胞内生长。研究人员报告说,这种酵母-细菌杂交细胞生长了40多代。

加拿大维多利亚大学的进化生物学家Ryan Gawryluk没有参与这项研究,他说,我们无法确切地知道15亿年前微生物所面临的环境和生理条件,正是这些环境和生理条件导致了真核细胞的形成。为营养物质交换能量可能是细菌和古生菌联合的动力之一,但一些科学家不认为是进化的力量形成了这种伙伴关系,他说。毕竟,“细菌对将ATP输送到细胞外没有兴趣。线粒体前体细菌可能是寄生虫或内共生体,由于其他原因逐渐丧失了在宿主外生存的能力。

然而,Gawryluk说,新的研究提供了“一个令人兴奋的结果……显示了这可能是如何发生的。”

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