Эволюционная биология утверждает, что хлоропласты и митохондрии когда-то были свободными бактериями, которых поглотили предки современных эукариот. Превращение съеденной добычи в постоянный «орган» занимает миллионы лет. В природе существует клептопластия — способность организмов воровать чужие пластиды и временно использовать их для фотосинтеза, отбрасывая остальную часть клетки-жертвы.
До сих пор исследователи располагали лишь косвенными генетическими данными о том, что ядро хищника отправляет белки внутрь временно украденной органеллы, чтобы продлить ей жизнь. Строгих биохимических доказательств такого молекулярного взлома не существовало.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, изучили клептопластию у одноклеточного эвгленозоя Rapaza viridis, который поедает зеленые водоросли рода Tetraselmis. Хищник переваривает ядро и цитоплазму жертвы, оставляя нетронутыми хлоропласты, которые затем использует по их назначению, то есть для фотосинтеза. Ученые проанализировали транскриптом жгутиконосца на разных стадиях пищеварения и нашли 37 активных генов, кодирующих белки, похожие на компоненты фотосинтетического аппарата.
Чтобы детально проверить механизм, авторы научной работы выбрали два белка, подобные RvRbcS и RvRca, малой субъединице и активатору фермента Рубиско, ключевого фермента фотосинтеза. Исследователи синтезировали светящиеся антитела, реагирующие только на эти молекулы. С помощью иммунофлуоресцентного микроскопа они проследили путь белков внутри клетки. Светящиеся маркеры показали, что белки хищника успешно проникают сквозь мембраны чужого хлоропласта и скапливаются внутри него.
Затем ученые проверили, так ли уж нужны эти белки хлоропласту. Биологи применили генетический редактор CRISPR/Cas9 и целенаправленно вырезали гены, отвечающие за производство RvRbcS- и RvRca-подобных белков, у хозяина.
Мутация генов резко снизила эффективность фотосинтеза. Клетки с удаленным геном RvRbcS-like вырабатывали кислород вдвое слабее обычных особей. Жгутиконосцы перестали накапливать гранулы полисахаридов (энергетические запасы) и начали массово погибать уже на 22-й день после поглощения водоросли, тогда как здоровые микроорганизмы поддерживают жизнь хлоропласта около пяти недель.
Анализ структуры белка RvRbcS-like помог выявить у него длинный С-концевой участок, которого нет у оригинальных белков водоросли-жертвы. Исследователи предполагают, что этот белковый «хвост» помогает хищнику физически перестраивать пиреноид — внутрихлоропластную зону фиксации углерода — под свои нужды. В отличие от растений, чьи хлоропласты работают как постоянная часть клетки, Rapaza viridis собирает транспортную систему с нуля после каждой успешной охоты.
Эукариоты способны создавать временные гибридные клеточные структуры, объединяя собственные генетические ресурсы с биохимией захваченных пластид. Способность синтезировать белки и целенаправленно отправлять их сквозь мембраны временно поглощенных органелл демонстрирует промежуточный эволюционный этап между обычным хищничеством и полноценным симбиозом.