Co může říct fotosyntetizující améba ke vzniku fotosyntézy?

Dnes už víme s poměrně ohromující jistotou, že zelené rostliny vznikly před více než 1,5 miliardami let endosymbiózou - oboustranně výhodným spojením asi vcelku nenápadného eukaryontního bičíkovce a sinice, šikovné bakterie schopné kyslíkaté fotosyntézy. Bylo to z dnešního pohledu velmi šťastné a úspěšné spojení, jeden bez druhého už nemohou existovat. Onoho dávného bičíkovce tehdy určitě nenapadlo, že jeho potomci zazelení celý náš svět.

Chloroplasty, jako potomci kdysi dávno volně žijících sinic, samozřejmě prošly mnoha dramatickými změnami. Na první pohled je patrná například radikální redukce genomu chloroplastů, který se z velké části přesunul do jádra hostitele. Důvody takového přesunu nejsou příliš jasné a možná mají co dělat s obranou proti sobeckým genetickým elementům, ale fotosyntetizující rostlinná buňka teď každopádně musí řešit věčný problém - jak dostat do chloroplastu produkty jeho vlastních genů, které teď ale dotyčná buňka sama vyrábí v cytoplazmě. Jak se zdá, většinou to vyřeší přenášením chloroplastových proteinů do chloroplastu pomocí komplikovaného proteinového komplexu, který zajistí, aby se dotyčné proteiny v pořádku dostaly přes membrány obalující každý chloroplast.

Jak tak složitě vypadající věc vůbec mohla vzniknout? Spojení rostlinné buňky a jejího endosymbionta je natolik dávné a natolik těsné, že je pro nás velmi obtížné rozluštit, jak to tehdy vlastně přesně bylo. Není to ale zcela beznadějné. Můžeme se například pokusit nalézt fotosyntetický organismus, jehož endosymbióza započala před mnohem kratší dobou a je tudíž ještě přístupnější našim zvědavým dotazům. Jak se zdá, odvážným vědcům štěstí přeje a tak již nějaký čas známe právě takového prvoka - nanejvýš pozoruhodnou sladkovodní amébu paulinelu (Paulinella chromatophora). Paulinela je zcela výjimečná tím, že je sice fotosyntetická a má „chloroplasty", ty ale ve skutečnosti nejsou blízce příbuzné ostatním chloroplastům. Zdá se, že všechny ostatní dnes známé chloroplasty pocházejí z jednoho jediného prapředka endosymbionta a právě paulinela je druhý, naprosto nezávislý a mnohem mladší pokus, endosymbióza jiné sinice. Odborníci odhadují, že k této nezávislé endosymbióze fotosyntetické sinice došlo před pouhými 60 milióny let, čili až v době po slavném hromadném vymření neptačích dinosaurů a dalších obyvatel konce druhohor. Po počátečním usídlení endosymbionta došlo k ořezání jeho genomu na přibližně 30 procent původní velikosti a do dnešní doby se už do jádra buňky paulinely přesunulo přes 30 genů endosymbiotické sinice. Až donedávna nebylo vůbec jasné, jak to celé může fungovat. Fotosyntetická paulinela totiž nemá k dispozici onen transportní proteinový komplex, kterým jiné fotosyntetické buňky posílají do chloroplastů potřebné chloroplastové proteiny z cytoplazmy.

Eva Nowack a Arthur Grossman z Carnegie Institution for Science se zaměřili na tři geny endosymbionta, které se teď nacházejí v jádře améby. Dotyčné geny kódují proteiny zapletené do fotosyntézy, takže se jejich produkty nějakým způsobem prostě musejí dostat skrz membrány dovnitř k endosymbiontovi. Konkrétně šlo o geny psaE, psaK1 a psaK2, které kódují podjednotky fotosystému I. Nowacková a Grosman je stopovali s nasazením pokročilých molekulárních technologií a nakonec potvrdili, že proteiny kódované všemi třemi vytipovanými geny skutečně vznikají v cytoplazmě paulinely a pak se opravdu přesouvají dovnitř endosymbionta, kde se skládají s dalšími proteiny a začleňují se jako fungující součást fotosyntetického aparátu „chloroplastu" paulinely.

Zároveň vyšlo najevo, že se sledované proteiny dostávají dovnitř k endosymbiontovi dosud neznámým způsobem, který zahrnuje průchod Golgiho aparátem, čili soustavou váčků endomembránového systému, které rozličným stylem upravují a také transportují nasyntetizované proteiny paulinely. Podobným způsobem, asi nepříliš šikovným, ale dostačujícím danému účelu, se mohly přesouvat i proteiny pradávných endosymbiontů a později se u nich postupně vyvinul sofistikovaný proteinový komplex pro transport přes membrány chloroplastu. Jak je vidět, paulinela je opravdu úžasně zajímavý organismus, který nám může vyzradit mnohá tajemství dávné i zcela nedávné evoluce.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka PhD.

Použité zdroje:

Originální studie:

Nowack & Grossman 2012, PNAS 109: 5340-5345.

Připraveno podle:

PhysOrg Physorg 27.2. 2012: Amoeba offers key clue to photosynthetic evolution

Další použité zdroje:

Wikipedia (Endosymbiotic theory, Paulinella).

Obrazové přílohy:

Paulinella chromatophora v celé své kráse. Kredit Ferry Siemensma, Microworld.

Eva Nowack. Kredit: Carnegie Institution for Science.

Golgiho aparát v buňce rostliny Sauromatum guttatum. Kredit: Dennis Kunkel, www.DennisKunkel.com.