Βακτήρια-μύκητες: Ερευνητές αναπαρήγαγαν μια συνύπαρξη που μπορεί να οδηγήσει σε νέα υπερ-φάρμακα

Τα μονοκύτταρα μικρόβια, όπως αυτά που βρίσκονται στο χώμα, στους ωκεανούς ή στο έντερό μας, αναπτύσσουν διάφορες σχέσεις. Μπορεί να ανταγωνίζονται για θρεπτικές ουσίες, μπορεί το ένα να τρώει τα απεκκρίματα του άλλου, μπορεί να ανταλλάσσουν DNA ή μπορεί να ζουν το ένα μέσα στο άλλο. Αυτή η τελευταία μορφή συνύπαρξης, που ονομάζεται ενδοσυμβίωση, εξηγεί την ανάπτυξη σύνθετων μορφών ζωής.

Η ενδοσυμβίωση είναι μια συνηθισμένη κατάσταση. Τα μιτοχόνδρια, τα εργοστάσια ενέργειας των κυττάρων, προέκυψαν όταν ελεύθερα βακτήρια εισήλθαν σε άλλα βακτήρια. Οι χλωροπλάστες, τα όργανα συλλογής φωτός των φυτών, ήταν κάποτε ανεξάρτητοι οργανισμοί. Πολλά έντομα τρέφονται από βακτήρια που ζουν στο εσωτερικό τους, και πρόσφατα οι επιστήμονες ανακάλυψαν τον νιτροπλάστη, ένα οργανίδιο που βοηθάει στην επεξεργασία αζώτου σε ένα είδος άλγης (φωτοσυνθετικά βακτήρια).

Μια πολύ ιδιαίτερη συνεργασία

Μπορεί η ενδοσυμβίωση να ακούγεται απλή, αλλά στην πράξη είναι μια πολύ σύνθετη διαδικασία. Πώς ένα κύτταρο που εισέρχεται σε ένα άλλο κύτταρο αποφεύγει την αποδόμηση; Πώς αναπαράγεται μέσα στο κύτταρο-ξενιστή; Πώς δημιουργείται αυτή η σταθερή σχέση συνεργασίας; Οι ειδικοί εξηγούν ότι, αν ο οργανισμός που εισέρχεται στο κύτταρο-ξενιστή πολλαπλασιάζεται πολύ γρήγορα, θα εξαντλήσει τα θρεπτικά συστατικά και θα ενεργοποιήσει τις άμυνες του ξενιστή, κάτι που θα οδηγήσει στην επικράτηση του ενός από τους δύο.  Αν, αντιθέτως, ο εισβολέας αναπαράγεται πολύ αργά, δεν θα μπορέσει να εδραιωθεί στον ξενιστή. Το μυστικό της ενδοσυμβίωσης είναι η ιδανική αναπαραγωγική ταχύτητα του κυττάρου που εισβάλλει, ώστε να εξασφαλίσει τη μεταφορά του στην επόμενη γενιά του ξενιστή.

Για πρώτη φορά, ερευνητές κατάφεραν να επιτύχουν την ενδοσυμβίωση στο εργαστήριο, εγχέοντας βακτήρια σε έναν μύκητα, χωρίς να σκοτώσουν κάποιον από τους δύο οργανισμούς. Τα κύτταρα του βακτηρίου Mycetohabitans rhizoxinica μεταφέρθηκαν στα κύτταρα του μύκητα Rhizopus microsporus. Το βακτήριο παράγει ένα δηλητήριο που επιτρέπει στον μύκητα να προσβάλει το ρύζι, και οι δύο οργανισμοί επωφελούνται από τα νεκρά κύτταρα του φυτού. Με την πάροδο του χρόνου, οι δύο οργανισμοί εξαρτώνται τόσο πολύ ο ένας από τον άλλο, που ο μύκητας δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς το βακτήριο.

Κοκτέιλ ενζύμων, τρόμπες ποδηλάτου και μικροοργανισμοί

Οι επιστήμονες επιχείρησαν την προσομοίωση αυτής της σχέσης στο εργαστήριο, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία του μύκητα που δεν ζει ενδοσυμβιωτικά και μαλάκωσαν τα τοιχώματά του με ένα κοκτέιλ ενζύμων. Με μια απλή αντλία ποδηλάτου για πίεση, ώθησαν τα βακτήρια στο εσωτερικό των κυττάρων του μύκητα. Αρχικά, οι ερευνητές δοκίμασαν το γνωστό βακτήριο Escherichia coli, το οποίο άρχισε να αναπαράγεται πολύ γρήγορα, ενεργοποιώντας την άμυνα του μύκητα. Στη συνέχεια, δοκίμασαν το Mycetohabitans rhizoxinica, που πολλαπλασιαζόταν με μέσους ρυθμούς και δεν ενεργοποίησε την άμυνα του μύκητα.

Λίγο αργότερα, οι επιστήμονες είδαν αυτό που ήθελαν. Τα βακτήρια είχαν βρει τον δρόμο τους στα σπόρια του μύκητα και έτσι μπορούσαν να περάσουν στην επόμενη γενιά. Απομονώνοντας σπόρια από 10 διαδοχικές γενιές, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα σπόρια ήταν ολοένα και πιο υγιή και αποτελεσματικά. Παράλληλα, ανέλυσαν το γονιδίωμα των δύο οργανισμών και απέδειξαν ότι ο μύκητας είχε αποκτήσει κάποιες μεταλλάξεις που του επέτρεψαν να φιλοξενήσει το βακτήριο.

Τα αποτελέσματα των πειραμάτων μπορεί να οδηγήσουν σε ένα νέο είδος συνθετικής βιολογίας, όπου ενδοσυμβιωτικές σχέσεις δημιουργούνται στο εργαστήριο. Αντί να τροποποιούμε βακτήρια για να κάνουν συγκεκριμένες λειτουργίες, θα μπορούσαμε να τα εισάγουμε σε ξενιστές, ώστε να τροποποιήσουν φυτά που θα παράγουν φάρμακα ή θα διασπούν ρυπογόνες ουσίες.