Najmniejsze znane genomy bakteryjne odkryte przez Polaków

Polscy naukowcy odkryli i opisali najmniejsze znane genomy bakteryjne, liczące zaledwie kilkadziesiąt genów, co stanowi niewiele ponad 1 proc. typowej liczby. Bakterie, o których mowa, pozostają na granicy życia komórkowego – poinformowali badacze na łamach „Nature Communications”.

Opisane przez badaczy symbionty znajdują się wręcz na granicy samodzielnego życia komórkowego

.W swojej najnowszej publikacji biolodzy z Instytutu Nauk o Środowisku Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Muzeum i Instytutu Zoologii PAN opisali ekstremalnie małe genomy, należące do dwóch gatunków bakterii: Candidatus Sulcia muelleri i Candidatus Vidania fulgoroidea. Oba te mikroorganizmy żyją w ścisłej symbiozie z owadami z grupy piewików (podrząd pluskwiaków).

W przesłanej PAP informacji naukowcy wyjaśnili, że od przeszło 260 mln lat piewiki i bakterie tworzą trwałe, obligatoryjne związki: bakterie uzupełniają ubogą dietę owadów w niezbędne aminokwasy, a w zamian zyskują stabilne środowisko życia we wnętrzu gospodarza.

W trakcie milionów lat trwania takiej symbiozy bakterie stopniowo zaczęły tracić zdolność do samodzielnego życia poza organizmem owada. W efekcie ich genomy uległy redukcji do rekordowo małych rozmiarów, jakich nie odnotowano dotąd u żadnych innych organizmów komórkowych.

– Wielkość genomu, czyli ilość DNA i liczba genów, wyznacza zakres funkcji, jakie organizm może realizować samodzielnie. U większości bakterii genomy liczą kilka tysięcy genów i umożliwiają względnie niezależne życie w zmiennym środowisku. W przypadku bakterii żyjących w ścisłej symbiozie z owadami sytuacja wygląda inaczej: zamieszkując tkanki gospodarza (…) mogą funkcjonować z wielokrotnie mniejszą liczbą genów, polegając niemal całkowicie na białkach i innych związkach dostarczanych przez gospodarza – wyjaśnili naukowcy z UJ.

Jak dodali, właśnie dlatego genomy symbiontów zostały zredukowane do poziomu najbardziej konserwowanego zestawu genów, umożliwiającego jedynie produkcję aminokwasów, przetwarzanie informacji genetycznej oraz realizację podstawowych procesów metabolicznych.

Jako przykład naukowcy podali szczepy Vidania, których genomy zachowały zdolność do biosyntezy tylko jednego aminokwasu – fenyloalaniny, kluczowej m.in. dla budowy i utwardzania oskórka owadów. Silnie zredukowane zostały u nich również geny związane z przetwarzaniem informacji genetycznej i metabolizmem.

– Co istotne, tak skrajna redukcja wyewoluowała niezależnie w różnych liniach gospodarzy, co wskazuje na istnienie silnych ograniczeń ewolucyjnych i powtarzalność tego procesu – napisali autorzy odkrycia.

Badania pokazały także, że nawet po setkach milionów lat symbiozy redukcja genomu nie zawsze prowadzi do stabilnego stanu. W kilku liniach rozwojowych zaobserwowano dalsze, radykalne zmiany, takie jak fragmentacja genomu na mniejsze cząsteczki DNA czy rozpad jednego symbionta na kilka współzależnych linii bakteryjnych. Tempo i kierunek tych procesów wydają się zależeć m.in. od diety gospodarza oraz obecności innych mikroorganizmów, które mogą przejmować część funkcji utraconych przez pradawne bakterie.

Autorzy publikacji podkreślili, że opisane przez nich symbionty znajdują się wręcz na granicy samodzielnego życia komórkowego i pod wieloma względami przypominają pojedyncze organelle, takie jak mitochondria czy chloroplasty, które również wywodzą się z dawnych bakterii.

Najmniejszy genom, który zidentyfikowali, liczył zaledwie 50-52 tysiące par zasad DNA i nieco ponad 60 genów kodujących białka. Jak wyjaśnili biolodzy, jest to nawet mniej niż w chloroplastach, które zawierają 120-160 tysięcy par zasad.

Jak wyglądają genomy bakteryjne?

.Zdaniem specjalistów uzyskane wyniki pozwalają lepiej zrozumieć, jakie minimalne funkcje są konieczne, by komórka mogła istnieć, co ma znaczenie zarówno dla badań nad początkami życia na Ziemi, jak i jego potencjalnym występowaniem poza naszą planetą. Ich badania dowiodły bowiem, że życie może funkcjonować w formach znacznie prostszych, niż wcześniej sądzono, pod warunkiem ścisłej współpracy z innymi organizmami.

Praca polskich naukowców może być też inspiracją dla biologii syntetycznej i biotechnologii, gdzie od lat trwają próby projektowania komórek o maksymalnie uproszczonych genomach, do zastosowania w medycynie, rolnictwie czy przemyśle.

– Wreszcie badania te podkreślają znaczenie relacji i współzależności w przyrodzie. Pokazują, że ewolucja nie zawsze prowadzi do większej złożoności i samodzielności, lecz często do głębokiej specjalizacji i współpracy. Zrozumienie takich układów ma znaczenie dla ochrony bioróżnorodności i stabilności ekosystemów, w których nawet mikroskopijne organizmy pełnią kluczowe, choć nieoczywiste i niewidoczne na pierwszy rzut oka role – podsumowali badacze.

Cyfryzacja ludzkiego ciała

.Jeśli internet ciał nie będzie starannie zarządzany, może stać się narzędziem kontroli i dominacji, silnie wpływając na funkcjonowanie całego społeczeństwa – pisze prof. Michał KLEIBER.

Popatrzmy na historię rozwoju internetu. Na początku mieliśmy internet komputerów, czyli sieć łączącą urządzenia cyfrowe, później dołączył do niego internet rzeczy, czyli sieć łącząca różnorodne obiekty i urządzenia, a teraz istnieją wyraźne sygnały, że przystąpiliśmy do uzupełniania dwu powyższych koncepcji trzecią, a mianowicie tworzeniem sieci łączącej ludzkie ciała.

Ta kolejna generacja internetu, czyli internet ciał (IC) rozbudza oczywiście olbrzymie emocje, może bowiem okazać się bardzo przydatna, szczególnie w opiece zdrowotnej, ale może także mieć fatalne konsekwencje. Wiele zagrożeń wywołuje już dzisiaj poważny niepokój, a jeszcze inne pojawią się z pewnością w przyszłości i są na razie trudne do przewidzenia. Dotyczą one prywatności, przestępczego wykorzystywania pozyskiwanych danych bądź szeroko rozumianej etyki związanej z funkcjonowaniem IC.

Internet ciał jest rozwinięciem internetu rzeczy mającym postać sieci niewielkich urządzeń na, wokół ciała lub w ciele człowieka, których funkcje obejmują wykrywanie, zbieranie, analizę i udostępnianie danych zdrowotnych i biometrycznych o obserwowanej osobie. Innymi słowy, sieć ta łączy ludzkie organy z systemami informatycznymi. Eksperci nie mają wątpliwości, że stało się to dzisiaj całkowicie możliwe. Nasze organy byłyby w tym scenariuszu podłączone sensorami do sieci zbierającej szczegółowe informacje o działaniu całego organizmu i przekazującej je do utworzonych w tym celu centrów danych. Pozwoliłoby to na przykład przewidywać zdalnie, czyli bez wizyty u lekarza, grożące nam choroby, i sugerować spersonalizowane działania profilaktyczne, co oczywiście byłoby niezwykle korzystne dla zdrowia, a ponadto redukowałoby koszty leczenia później rozpoznanych dolegliwości. Zapobiegłoby to także śmierci wielu osób – w Stanach Zjednoczonych na przykład prawie jedna czwarta zawałów serca pozostaje nierozpoznana przez osoby, którym się to przytrafiło, co świadczy o znacznej liczbie możliwych do uniknięcia zgonów.

Możliwe byłoby także wyposażenie sensorów, określanych wtedy mianem biorobotów, w środki lecznicze bezpośrednio stosowane po wykryciu problemu, przeciwdziałające na przykład tworzącemu się zakrzepowi krwi bądź wykrytym bakteriom lub wirusom chorób zakaźnych, czy wręcz możliwe by były działania mikrochirurgiczne reperujące naruszone DNA.

Sieć IC mogą tworzyć najróżniejsze elementy, które można podzielić na następujące kategorie:

Pierwsza kategoria to urządzenia noszone zewnętrznie na ciele w celu monitorowania tętna, ciśnienia krwi, poziomu tlenu bądź fizycznej aktywności, a także innych ważnych parametrów życiowych, takich jak wzorce snu czy nawet stany emocjonalne. Do urządzeń tych należą m.in. tzw. smartwatche, opaski fitness, plastry medyczne czy inteligentna odzież. Urządzenia te są nieinwazyjne, przyjazne dla użytkownika i bardzo przystępne cenowo, co przyczynia się do ich popularności.

Druga kategoria to urządzenia wszczepiane wewnętrznie lub połykane, czyli np. stymulatory serca, implanty, inteligentne soczewki kontaktowe, czujniki monitorujące narządy wewnętrzne, pompy insulinowe regulujące poziom cukru we krwi czy cyfrowe pigułki przesyłające dane z układu pokarmowego – wszystkie te urządzenia mogą dostarczać dane medyczne, szczególnie istotne w przypadku stosowania ciągłego monitorowania.

Mogą to być urządzenia w pełni zintegrowane z ciałem, takie jak np. interfejsy mózg-komputer lub narzędzia do edycji genów, pozwalające na dwukierunkową komunikację między ciałem a systemami zdalnymi i mogące nawet modyfikować biologiczne podstawy budowy ludzkiego organizmu.

Zainstalowane czujniki identyfikują dane biometryczne i konwertują je na sygnały cyfrowe, przekazując je do serwera, który po analizie dostarcza odpowiednie informacje do infrastruktury chmurowej, udostępniającej je systemom opieki zdrowotnej oraz innym urządzeniom. Niezwykle istotną rolę odgrywa w tym sztuczna inteligencja, przekształcając dane behawioralne w funkcje, które można wykorzystać do rozpoznawania wzorców problemów. Wzorce te mogą służyć także do analizy predykcyjnej, bardzo pomocnej w wykrywaniu wielu przyszłych powikłań zdrowotnych.

Tekst dostępny na łamach Wszystko co Najważniejsze: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/prof-michal-kleiber-internet-cial/

PAP/MB