Polscy biolodzy odkryli zupełnie nowy rodzaj i gatunek cyjanobakterii

Nie tylko nowy gatunek, ale też zupełnie nowy rodzaj - czyli wyższą taksonomicznie jednostkę - cyjanobakterii odkrył zespół naukowców kierowany przez dr Iwonę Jasser z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

(zdjęcie ilustracyjne)

shutterstock/paulista

Ta niepodobna do żadnego znanego wcześniej gatunku sinica zamieszkuje geotermalne źródła Gór Pamiru Wschodniego (Tadżykistan). Zdaniem jej odkrywców może się ona okazać nie tylko nową linią ewolucyjną sinic, ale także potencjalnym producentem substancji bioaktywnych. Artykuł dotyczący nowego organizmu, zawierający wyniki wstępnych badań dotyczących jego biologii ukazał się w czasopiśmie „Molecular Phylogenetics and Evolution”.

Opisane w publikacji wyniki dotyczą badań, prowadzonych przez trzy różne zespoły. Jednym kierowała dr Iwona Jasser, drugi pochodzi z Instytutu Biologii Środowiskowej Wydziału Biologii UW, trzecim kierował prof. Spyros Gkelis z Uniwersytetu w Salonikach (Grecja), czwartym - prof. Mikołaj Kokociński z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

„Wszyscy interesowaliśmy się badaniem gorących źródeł, ponieważ wydawało nam się, że mogą one zawierać ciekawe cyjanobakterie. W moim przypadku zaczęło się od tego, że badając Góry Pamiru Wschodniego przypadkowo natknęłam się na niezwykłe źródło geotermalne: na długości blisko 200 m pokryte było bardzo grubą warstwą zielono-brązowego ’kożucha’ - opowiada dr Jasser. - Wyglądał niesamowicie. Uznaliśmy, że na pewno warto zbadać go bliżej, bo musi to być coś niespotykanego”. 

Evidence of microbial activity in & around hydrothermal vents at least 3,770 million years ago is reported this week https://t.co/sLpm2afy94 pic.twitter.com/buk8xAHTfd

— Nature Portfolio (@NaturePortfolio) March 1, 2017

Fragment owego „kożucha”, który w istocie był matą mikrobialną, naukowcy przywieźli do Polski. Przebadali go mikroskopowo, biochemicznie, a także sprawdzili, jakie organizmy uda się z niego wyizolować. Tak jak podejrzewali, z maty udało się wyodrębnić cyjanobakterie, które następnie zaczęto hodować w laboratorium.

„Hodowla organizmów z takich specyficznych, ekstremalnych środowisk jest bardzo trudna, ponieważ nie jesteśmy w stanie zapewnić im takich warunków, w jakich żyją naturalnie - nawet, jeśli zadbamy o odpowiednio wysoką temperaturę itp. Każda tego typu hodowla, którą uda się przeprowadzić, to duży sukces. I właśnie tym razem nam się udało” - mówi dr Jasser.

Choć morfologicznie pojedyncze osobniki nie wyglądały szczególnie interesująco czy wyjątkowo, to analizy molekularne (na podstawie DNA) wykazały, że przywiezioną z Tadżykistanu cyjanobakterię bardzo trudno przypasować do którejś z istniejących grup taksonomicznych.

„Kiedyś taksonomia sinic opierała się wyłącznie na ich cechach morfologicznych, przede wszystkim kształtach komórek - tłumaczy autorka publikacji. - Dzieliliśmy je na sinice nitkowate, kuliste, rozgałęzione, a nawet takie, które tworzą złożone, trójwymiarowe struktury zbudowane z wielu nici. Później okazało się, że w procesie ewolucji, czyli na przestrzeni milionów lat, sinice potrafią naprzemienne tracić i ponownie zyskiwać swoją wielokomórkowość. Dlatego podział w oparciu o cechy morfologiczne okazał się zupełnie nietrafiony. Dziś wiemy, że pomimo takiego samego wyglądu cyjanobakterie mogą przynależeć do bardzo różnych rzędów. Tylko analizy DNA ujawniają prawdziwe pokrewieństwo między tymi organizmami”.

Tak było w przypadku sinicy odkrytej w górach Pamiru. Badania molekularne ujawniły, że nie można jej zakwalifikować do żadnego znanego wcześniej gatunku cyjanobakterii. Mało tego - okazała się niepodobna nawet do żadnego opisanego rodzaju!

Naukowcy szybko zrozumieli, że odkryli nową grupę organizmów. Niezwykłą sinicę nazwali Hillbrichtia pamiria. Pamiria - od miejsca, w którym ją znaleziono, Hillbrichtia - od nazwiska nieżyjącej już polskiej hydrobiolożki prof. Anny Hillbricht-Ilkowskiej.

„Nazwaliśmy ją na cześć mojej mentorki naukowej prof. Hillbricht-Ilkowskiej. Była znanym nie tylko w Polsce, ale i na świecie, ekologiem i hydrobiologiem; przez dwie kadencje pełniła funkcję wiceprezesa Societas Internationalis Limnologiae, najważniejszej na świecie organizacji limnologicznej. Była też opiekunką mojej pracy doktorskiej i moim wielkim autorytetem. Chciałam ją upamiętnić jako wspaniałego naukowca i wspaniałą osobę” - podkreśla dr Jasser.

„Na razie dość skromnie stwierdziliśmy, że Hillbrichtia to nowy rodzaj. Jednak nawet na wyższym poziomie trudno znaleźć dla niej odpowiednią grupę. Niewykluczone więc, że może być nawet nowym rzędem - podkreśla autorka badania. - Aby to stwierdzić, trzeba będzie znaleźć podobne do niej organizmy. Wtedy wszystko się wyjaśni”.

Poza H. pamiria w omawianej publikacji opisano jeszcze dwa inne zupełnie nowe gatunki cyjanobakterii i drugi nowy rodzaj. Ten ostatni odnalazł w Grecji zespół prof. Gkelisa.

„Jeśli chodzi o Hillbrichtię, to już na pierwszy rzut oka widać było, że to wyjątkowy organizm. Budowała maty mikrobialne, jakich wcześniej nie widzieliśmy; mogła rosnąć w bardzo wysokich temperaturach, ale - co ciekawe - także w dużo niższych. W samym centrum badanego przez nas w Pamirze zbiornika termalnego temperatura przekraczała 50 st. C, ale już 200 metrów dalej miała zaledwie 28 st. C. A sinica w obu tych miejscach bardzo dobrze sobie radziła. Oznacza to, że ma bardzo duże możliwości przystosowawcze” - opowiada naukowczyni. 

Postdoc position: high frequency monitoring data - Ireland https://t.co/FNE9hEGGHn via @CYANOCOST

— CYANOCOST (@CYANOCOST) March 1, 2017

Jak wyjaśnia, maty mikrobialne (inaczej mikrobiologiczne) to wielowarstwowe arkusze złożone z wielu biofilmów, które się na siebie nakładają. Biofilmy te tworzone są głównie przez cyjanobakterie, choć kolejne warstwy mogą być zdominowane przez różne inne mikroorganizmy.

„Podstawą maty są sinice, ponieważ po pierwsze - są one producentami pierwotnymi, czyli fotosyntetyzują, dostarczają węgla organicznego, budują podłoże dla innych, a po drugie potrafią tworzyć bardzo duże kolonie o specyficznej strukturze, które staną się miejscem do życia dla kolejnych organizmów. - mówi dr Jasser. - Obok sinic zaczynają rozwijać się inne organizmy fotosyntetuzujące: jakieś glony, zielenice, okrzemki, a później także organizmy heterotroficzne,: archeony, bakterie beztlenowe. Mogą się też rozwijać autotrofy, ale tym razem beztlenowe. W efekcie w takiej macie istnieje wiele różnych warstw, a tworzące je organizmy pełnią bardzo różne role".

Maty mikrobialne były jednymi z pierwszych zespołów organizmów, które żyły na Ziemi. Istniały już ok. 3-3,5 miliarda lat temu i przez długo czas przez długi czas były jedynymi i najważniejszymi ekosystemami na naszej planecie. Naukowcy uważają, że to dzięki nim powstała ziemska atmosfera oraz bardziej skomplikowane komórki, czyli eukarionty.

Autorzy publikacji zajęli się także porównaniem cyjanobakterii wyizolowanych z mat przywiezionych z kilku różnych gorących źródeł: tadżyckiej maty dr Jasser, maty zespołu prof. Kokocińskiego (znalezionej koło Uniejowa) oraz dwóch mat grupy prof. Gkelisa: greckiej i islandzkiej.

„Zaczęliśmy porównywać właściwości ekofizjologiczne wyizolowanych przez nas sinic; sprawdzaliśmy ich przynależność filogenetyczną. Chcieliśmy też zbadać, czy - i jakie geny kodujące biała szoku cieplnego są obecne w naszych cyjanobakteriach" - opowiada dr Jasser. Wyjaśnia, że biała szoku cieplnego (ang. heat shock proteins, Hsp) to specyficzne związki, których ekspresja nasila się w warunkach stresu, np. bardzo niskiej lub bardzo wysokiej temperatury, silnego zasolenia, obecności metali ciężkich. To, że badane sinice pochodziły z gorących źródeł, pozwalało naukowcom przypuszczać, że posiadają one takie białka.

Przypuszczenia szybko się potwierdziły. Dodatkowo ustalono, że te sinice, które miały po trzy geny kodujące Hsp, najlepiej radziły sobie w wysokich temperaturach. Co ciekawe, wszystkie te geny były jednocześnie związane z produkcją toksyn. „Potwierdziło to funkcjonującą w środowisku naukowym hipotezę, że te geny związane z toksynami pozwalają mikroorganizmom przystosowywać się do trudnych środowisk” - podkreśla dr Jasser. 

Really excited for this publication! Congrats to @ManthosPanou @IwonaJasser who share the first authorship and all our great collaborators! https://t.co/CkX6kApf2G

— spyros gkelis (@northaura) March 30, 2022

W jaki sposób toksyny są powiązane z przystosowaniem do środowiska? Jak tłumaczy badaczka, synteza wspomnianych toksyn odbywa się pozarybosomalnie. Oznacza to, że na rybosomach syntetyzowane są enzymy, które dopiero potem będą brały udział w syntezie kolejnych białek. W tym wypadku te same geny, których produkty będą kluczowe w szlakach biosyntezy toksyn, biorą także udział w szlakach prowadzących do wytworzenia innych substancji, np. tych związanych z przystosowaniem do ekstremalnych warunków środowiska. „To są te same pojedyncze geny, ale ich ekspresja może prowadzić do powstania różnych produktów” - wyjaśnia biolożka.

W trakcie eksperymentów okazało się, że Hillbrichtia pamiria produkuje jeszcze inną, wyjątkowo ciekawą, substancję. To debromoaplazjatoksyna - substancja, o której wiadomo, że może wywoływać reakcje uczuleniowe, np. silne swędzenie, a badania na myszach ujawniły, że sprzyja też tworzeniu się guzów nowotworowych i innych zaburzeń prowadzących nawet do śmierci zwierząt.

Jednocześnie ten sam związek - o ile laboratoryjnie pozbawi się go pewnych elementów - wykazuje działanie zupełnie odwrotne: hamuje rozwój komórek rakowych. „To niezwykle ciekawy związek, a my potwierdziliśmy, że ta konkretna sinica go produkuje - zaznacza się dr Jasser. - Co ciekawe, nie udało się go stwierdzić w warunkach naturalnych, czyli w macie przywiezionej z Pamiru, a dopiero w hodowli laboratoryjnej”.

„Na pewno więc warto poddać Hillbrichtię jeszcze bardziej szczegółowym analizom biochemicznym, ale też genetycznym, aby sprawdzić, czy nie wytwarza jeszcze jakichś innych ciekawych związków biologicznie czynnych” - dodaje badaczka. 

PAP/ks