Minimálsejt: először írták le, mi kell feltétlenül az élethez

Hat együttműködő kutatócsoport meghatározta az egyik legkisebb baktérium teljes genetikai állományát, a gének alapján készülő fehérjekészletét és a baktériumban lejátszódó anyagcsere-folyamatokat. Ezek alapján jó közelítéssel összegezhetők azok az alkotórészek, illetve folyamatok, amelyek nélkülözhetetlenek egy sejt önálló életben maradásához.

A heidelbergi Európai Molekuláris Biológiai Laboratórium (EMBL) és a barcelonai Centre de Regulacio Genomica (CRG) kutatóközpont hat kutatócsoportja fogott össze, hogy először határozzák meg a lehető legegyszerűbb életképes sejt alapvető tulajdonságait. Ezt a minimálsejtet szabad összekeverni az élet hajnalán létezett jóval egyszerűbb "sejtekkel", mert a mai legegyszerűbb sejtek is hosszú evolúciós folyamat révén alakultak ki, és jóval bonyolultabbak, mint a feltételezett ősi sejtek.

A kutatók a minimálsejt "tervrajzának" elkészítéséhez az atipikus tüdőgyulladás baktériuma, a Mycoplasma pneumoniae tanulmányozásából származó eredményeket használták fel. A tanulmányt - amelyből kiderül, hogy még a legegyszerűbb sejtek is sokkal összetettebbek a korábban feltételezettnél - három cikkre bontva közli a Science legújabb száma.

A Mycoplasma pneumoniae kisméretű, sejtfal nélküli baktérium, egyben az egyik legkisebb prokarióta (sejtmag nélküli szervezet), amely szaporodás szempontjából nem függ a gazda sejtalkotó részeitől (ellentétben például a vírusokkal). A M. pneumoniae elég összetett ahhoz, hogy önmagában megéljen, viszont kicsi, és - elméletileg - elég egyszerű, hogy képviselhesse a minimálsejtet, valamint lehetséges legyen az átfogó elemzése.

Az EMBL és a CRG kutatócsoportjai három különböző szinten vizsgálták a baktériumot. Az egyik kutatócsoport az M. pneumoniae transzkriptomját írta le. Ez azt jelenti, hogy meghatározták az összes hírvivő RNS-molekulát (transzkriptumot), amely a baktérium egyetlen, kör alakú DNS-éről különböző környezeti körülmények között átíródott (transzkripció). Egy másik csoport az organizmusban lejátszódó összes anyagcsere-reakciót, illetve az itt szereplő molekulákat (gyűjtőnéven metabolom) jegyezte föl. A harmadik csapat pedig azonosította a baktérium által termelt összes multiprotein-komplexet, azaz meghatározta a szervezet fehérjeállományát, a proteomot.

A proteom és a metabolom együttes tanulmányozásakor a kutatók fölfedezték, hogy számos molekula több funkciót lát el. Kiderült, hogy egyes anyagcsere-enzimek több reakciót is katalizálnak, más proteinek pedig egynél több proteinkomplex alkotásában vesznek részt. Azt is megfigyelték, hogy a baktérium térben és időben összekapcsolja a biológiai folyamatokat.

Ez a kép a Mycoplasma pneumoniae baktériumról szerzett genomikai, metabolikai, proteomikai, szerkezeti és sejtes információk együttesét mutatja be. A háttérben a palack alakú M. pneumoniae sejt elektrontomográfiás eljárással készült képe látható (szürke). E felett helyezkedik el a baktérium anyagcseréjének sematikus ábrázolása, amely 189 enzimatikus reakciót foglal magában. A kék vonalak az ugyanazon funkciós egységből származó gének által kódolt fehérjék közötti interakciókat jelölik. E feltételezett interakciókon felül a kutatók azt tapasztalták, hogy sok protein több feladatot lát el (multifunkcionális). Például számos nem várt fizikai interakciót (sárga vonalak) fedeztek föl a proteinek és a riboszómák alegységei (sárga alakzatok) között

Érdekes módon a M. pneumoniae transzkriptomjának szabályozása sokkal több hasonlóságot mutat az eukariótákéval (sejtmagvas szervezetek), mint korábban gondolták. A baktérium DNS-éről átírt RNS-ek jelentős része nem fordítódik le fehérjékké, éppúgy, mint az eukariótákban. Külön furcsaság, hogy bár a gének a baktériumokra jellemző módon csoportokba rendeződnek, a M. pneumoniae nem mindig írja át együtt egy csoport valamennyi génjét, hanem szelektíven kifejezi, illetve elnémítja az egyedi géneket az egyes csoportokban.

Más, nagyobb baktériumokkal ellentétben úgy tűnik, hogy a M. pneumoniae anyagcseréje nem a lehető leggyorsabb osztódásra van hangolva. Ennek oka talán a baktérium kórokozó életmódja. A másik meglepetés az volt, hogy ez a baktérium rendkívül kis genomja ellenére hihetetlenül rugalmas, és rögtön hozzáigazítja anyagcseréjét a környezeti körülmények drasztikus megváltozásaihoz is. Ez az adaptációs képesség és a háttérben álló szabályozó mechanizmusok arra utalnak, hogy a M. pneumoniae képes lehet gyorsan fejlődni, és az imént felsorolt tulajdonságok közösek lehetnek a fejlettebb organizmusokkal.

"A lényeg ezekben a közös tulajdonságokban rejlik" - magyarázza Anne-Claude Gavin, aki a baktérium proteomjának vizsgálatát vezette. "Ezek azok a dolgok, amelyek nélkül még a legegyszerűbb organizmus sem tud meglenni, és amelyek érintetlenül maradtak az evolúció évmilliói folyamán - azaz ezek az élet nélkülözhetetlen alapkellékei."

Forrás: Science/AAAS