Pochodzenie i ewolucja endosymbiozy: poszukiwanie stadiów przejściowych wśród mikroorganizmów eukariotycznych (SYMBIOSTART)

Symbioza, czyli „wspólne życie różnych organizmów”, to jedna z najbardziej fascynujących interakcji w przyrodzie. Symbiozy obejmują zależności między organizmami, które są korzystne dla obydwu partnerów, jak również relacje między pasożytami a ich żywicielami. Symbioza znacząco wpływa na biologię organizmów, które biorą w niej udział. Przykładowo koralowce dają schronienie zasiedlającym ich tkanki glonom, które oddają za to swoim gospodarzom produkty przeprowadzanej przez nie fotosyntezy. Szczególnym przypadkiem symbiozy jest endosymbioza, w której jeden z partnerów żyje wewnątrz komórek drugiego.

Najbardziej przełomową symbiozą w historii życia na Ziemi, była integracja dwóch różnych mikroorganizmów, która doprowadziła do powstania organizmów eukariotycznych – zwierząt, roślin, grzybów i protistów. Endosymbioza jest jedną z głównych sił napędowych ewolucji eukariotów i to dzięki niej powstały mitochondria i chloroplasty. Miało to jednak miejsce w bardzo odległej przeszłości, co uniemożliwia poznanie stadiów pośrednich i zrozumienie samego procesu. Jedynie poprzez analizę podobnych współczesnych endosymbiotycznych układów możemy zidentyfikować etapy pośrednie i lepiej poznać rolę i powstawanie endosymbioz. Najnowsze badania sugerują, że interakcje między mikroorganizmami eukariotycznymi (protistami) i organizmami prokariotycznymi (bakteriami i archeonami), są dość powszechne. Daje nam to wyjątkową szansę na zidentyfikowanie organizmów na pośrednich etapach endosymbiozy i lepsze zrozumienie tego zjawiska.

Naszym głównym celem jest zrozumienie jak powstaje relacja endosymbiotyczna, poprzez identyfikację i scharakteryzowanie nowych układów protisty-endosymbionty. Będziemy poszukiwali takich interakcji w środowiskach wodnych, obfitujących w mikroorganizmy eukariotyczne, izolując i identyfikując partnerów metodami mikroskopowymi i genetycznymi. Organizmy na pośrednich etapach endosymbiozy scharakteryzujemy zarówno na poziomie ewolucji genomu, jak również na poziomie regulacji ekspresji genów, które towarzyszą interakcji endosymbiotycznej. Zbadamy również ultrastrukturę badanych komórek, co w powiązaniu z informacjami genetycznymi przybliży nas do zrozumienia natury badanych interakcji. Z kolei eksperymenty z wykorzystaniem hodowli mikroorganizmów i ich endosymbiontów umożliwią identyfikację genów kodujących białka kluczowe dla jej wczesnych etapów.

Wyniki tego projektu pozwolą nam na głębsze zrozumienie jednego z najbardziej fascynujących procesów ewolucyjnych, który doprowadził do powstania złożonych komórek eukariotycznych. Rozszyfrowanie tego procesu ma kluczowe znaczenie dla biologii komórki, a w szczególności poszerzenia naszej wiedzy na temat powstania i funkcjonowania chloroplastów i mitochondriów. Poznanie różnorodności i złożoności endosymbioz w środowiskach wodnych przyczyni się także do zrozumienia roli interakcji mikroorganizmów eukariotycznych w funkcjonowaniu tych ekosystemów.

Zespół

Projekt jest prowadzony przez dr hab. Annę Karnkowską, z pomocą lab managera – mgr Alicji Fells – która dołączyła w lipcu 2024 roku. Do składu zespołu prowadzącego badania od października 2024 roku dołączyli nowi doktoranci, mgr Metody Hollender oraz Zuzana Dzureková.

Pobór prób i analiza różnorodności zespołów mikroorganizmów

W lecie 2024 roku odbył się pierwszy pobór prób z kilkunastu jezior Pojezierza Mazurskiego różniących się od siebie statusem troficznym i poziomem antropopresji. Pobrane próby posłużą do uzyskania amplikonów metabarkodowych mikroorganizmów jeziornych z pomocą najnowszej technologii sekwencjonowania Oxford Nanopore oraz do badań na pojedynczych komórkach, który umożliwi nam wgląd w badanie interakcji między protistami i ich endosymbiontami na poziomie pojedynczych komórek.

Zakup sprzętu

W ramach grantu zakupiony został nowy zautomatyzowany mikroskop odwrócony fluorescencyjny, umożliwiający zaawansowane robienie zdjęć i filmów a także oglądanie prób przygotowanych metodą FISH.

Doniesienia konferencyjne i popularnonaukowe

W grudniu 2024 roku w Magazynie Polskiej Akademii Nauk ACADEMIA ukazał się popularnonaukowy artykuł autorstwa dr hab. Anny Karnkowskiej pod tytułem „Czy współpraca się opłaca? Historia komórki eukariotycznej.” dotyczący m.in. endosymbiozy. Artykuł dostępny jest tutaj: PAN ACADEMIA