Vývoj a rozmanitost (buňečného) života

Roman Sobotka

Rozmanitost života

živočichové a rostliny

Protonový gradient je principem buněčné energetikyUniverzální mechanismus pro všechny formy života...

Baterie versus živá buňka

Gradient protonů v buňce se vytváří (nejčastěji) za spotřeby energie elektronů ->oxidací chemických sloučenin

Rozmanitost metabolismu

Co je primárním zdroji energie -> jak buňka získává ‘horké‘ elektrony pro generování protonového gradientu?

Jak získat uhlík a ostatní stavební prvky (dusík, fosfor, železo..) ? -> použitelné pouze v redukované formě (CHx, NHx, Fe2+...)

Různé formy života se odlišují ve strategii:

Rozmanitost metabolismu – zdroj energie (elektronů) a uhlíku

ChemoheterotrofníOrganická hmota -------------------> O2 (H2O)Organická hmota -------------------> CO2 (CH4)Organická hmota -------------------> H+ (H2)Organická hmota -------------------> Organická hmota (e.g. butanol)

Rozmanitost metabolismuZ čeho elektrony brát (co je oxidováno) ------> a kam je poté “vyhořelé“ elektrony odevzdat (za vzniku čeho)

FotoautotrofníH2O (+ energie fotonů) ----> O2 (H2O) - aerobněH2S (+ energie fotonů) -----> Organická hmota - anaerobně

ChemolitotrofníFe2+, H2S, ... ------> CO2 (CH4)H2 ------------------> CO2 (CH4)CO (za vzniku CO2) ---------------> CO2 (CH4) Fe2+ (za vzniku Fe2O3) ---------------> O2 (H2O)

FotoheterotrofníOrganická hmota (+ energie fotonů) --------------> Organická hmota

Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA

LUCALast Universal Common Ancestor

Je možné rozpoznat tři domény života – Bacteria, Archea a Eukarya (Eukaryota)

Variabilní oblasti v případě 16S (18S) rRNA z malé podjednotky ribozomu.

Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA

Konstrukce stromu života – sekvence celého genomu

Počítáno na základě úplných sekvencí genomů v roce 2006

‘Evoluce’ stromu života

Počátek byl asi hodně zamotaný (horizontální přenos DNA?) -> nelze rekonstruovatModerní modely se nesnaží strom “zakořenit“

Jak vznikla buňka (život)?

Před ~ 4 miliardami let

Vysoká koncentrace CO2, H2, NH3, metan, H2S, oceány, prakticky žádný kyslík

Oceány mírně kyselé, vyšší teplota, rozpuštěny vysoké koncentrace redukovaných kovů, síry, fosforu

Současné teorie původu buňky (života)

• Prvotní život potřeboval stabilní přísun velkého množství energie – primitivní “metabolismus“ velmi málo efektivní

• Nutná vysoká koncentrace organických látek, dlouhodobá izolace od okolního prostředí

• Otisk nejstaršího metabolismu je pravděpodobně pyruvát <-> citrátový cyklus a chemoosmotický potenciál (protonový gradient)

• Nejstarší život obsahoval také dusíkaté báze, cukry a aminokyseliny a minerální katalyzátory jako FeS klastry, železo, fosfor, molybden...,

• katalytické RNA jako následný krok

Není konzistentní s historickou (zažitou) „prapolévkovou“ teorií vzniku života

• Všechny komponenty příliš naředěné, nestabilní prostředí• Jak se vytvoří lipidové kapičky?• UV záření nemůže fungovat jako zdroj energie – nestabilní, slabý zdroj, život ničí

Vznikl život v hydrotermálních systémech?

Autor hypotézy je Michael Russell (NASA) “White smokers“- Alkalické průduchy na mořském dně

Vznikají reakcí slané vody s podložím

Porózní struktura sopouchu, mikrometrové komůrky probublávané H2, teplota do 70°C

V kyselém oceánu přirozený gradient protonů(chemoosmotický potenciál)

V současnosti porézní struktury bohatě obydlené Archea a Bacteria

Reakcí CO2 s H2 vzniká celé spektrum organických látek; extrémně vysoká koncentrace nukleotidů v simulovaných podmínkách hydrotermálních pórů

Vznikl život v hydrotermálních systémech?

Chemoosmotický potenciál (protonový gradient) je základní a univerzální způsob, jak buňky generují energii

Krebsův (citrátový) cyklus

pyruvát

LUCALast Universal Common Ancestor

Prokaryotní mikroorganismy (Prokaryota), všudypřítomnéVelikost několik mikrometrů, kulovité, válcovité, spirály..

Biomasa bakterií na Zemi je větší než biomasa všech ostatních forem života

Bakterie mají pouze jednu, případně dvě buněčné membrány(Gram-negativní). Ale sinice ... viz. později

Chráněni buněčnou stěnou

Bacteria

~ 2m

Nemají vnitřní membránové organely ani jádro .... ale obsahují dva buněčné kompartmenty (prostory) oddělené membránou – cytoplasma a periplasma

Rozmnožují se dělením – asexuální rozmnožování, ale praktikují určitou formu sexu

Pohyb umožněn bičíky a/nebo pili

Buněčná stěna bakterií

Kapsule – rozměrná struktura, pouze některé kmeny bakterií, často virulentní, kapsule většinou tvořená polysacharidy, ale i polypetidy. Ochrana, zásobárna vody, přilnavost k povrchům, např. k zubům

Peptidoglykan – polymery cukrů, síťovitá struktura, mechanická ochrana, pružnost – syntéza peptidoglykanu blokovaná penicilínem

Gram-pozitivní bakterie

Peptidoglykan

Gram-negativní bakterie – mají dvě membrány

Periplasma je klíčová pro energetiku prokaryotní buňky

Většinou cirkulární chromozóm, několik milionů páru bazí = 1-2 mm délka (buňka 1-2 M)

Chromozóm je kondenzován ve středu buňky, ale obsahuje flexibilní kličky, které dosahují k plasmatické membráně.

Organizace genomové DNA prokaryot

Organizace genomové DNA prokaryot

Genomová DNA prokaryot kondenzovaná uprostřed buňkyDuplikace DNA předchází dělení buňkyRibozómy jsou v oblasti, kde není DNA

1x chromozómribozom

Bakteriální cytoskelet

Cytoskelet je často prezentován jako unikátní struktura eukaryotních buněkBěhem posledních 10 let byla přítomnost podobných struktur nalezena i u prokaryot-vlákna evolučně příbuzná k aktinovým vláknům a tubulinům

Eukaryota Bakterie

Aktinová vlákna v eukaryotní buňce

Bacillus subtilis

Spiroplasma

Bakteriální cytoskeletPotvrzena funkce cytoskeletu v udržení tvaru buněk, nepochybně mnohem širší paleta funkcí ..

Bakteriální flagela (bičík)

Peptidoglykan

Perip

lasm

a

Bičík má u gram-pozitivních 2 rotory (v cytoplazmatické membráně). U gram-negativních jsou 2 rotory v cytoplasmatické mambráně a 2 v periplazmě.Vlastní bičík složen z proteinu flagelinu.

Bakterie se pohybuje změnou rychlosti rotace – je daná rozdílem v koncentraci protonů v periplasmě a v cytoplasmě (protonovým gradientem)

Bakteriální pili • Vlasové struktury na povrchu buněk• Kromě pohybu buňky po povrchu se pili účastní sekrece a přenosu DNA (transformace a konjugace – sex pilus)• Důležité pro virulenci bakterií• Řada stavebních komponent podobná u pilů a bičíku• Pohyb umožněn zkracováním a prodlužováním pilu • Specializovaný pilus – sekrece z buňky (často toxiny), DNA –> Vir pilus Agrobacterium –infekce rostlinných buněk, využívané v genovém inženýrství rostlin

DNA

Vir pilus

Horizontální přenos DNA mezi bakteriemi Bakterie jsou jednobuněčné organismy, ale tvoří agregáty, kolonie a čile interagují

Jsou schopné mezi sebou míchat genetickou informaci pomocí konjugace – z definice se jedná o sex

Další formy získání cizorodé DNA:Transformace – přijmutí a zabudování cizorodé DNA z prostředí, např. z mrtvých buněkTransdukce – DNA se dostane do bakterie pomocí bakteriálních virů (fágů)

Každá bakterie je GMO ...

Sex pilus

Konjugace – bakteriální forma sexuBakterie se propojí a přitáhnou pomocí specializovaného pilu – sex pilu, dojde k těsnémukontaktu

Pomocí pilu dojde k přenosu cirkulární (plasmidové) DNA – výrazně kratší než genomová DNA

Plasmidy obsahují často “užitečné geny“ jako je rezistence k antibiotikům, speciální enzymy atd.

Geny mohou být později integrovány do genomu

Sinice - Cyanobacteria Fotoautotrofní bakterie s oxygenní fotosyntézou- produkují kyslík – odpad metabolismu- mají speciální membrány (thylakoidy) s fotosyntetickým aparátem (fotosystém 1 a fotosystém 2)- obsahují chlorofyl

Přítomné na Zemi před >3.0 miliardami letPrvní mnohobuněčné organismy se specializovanými buňkami - heterocysty, kde dochází k fixaci vzdušného dusíku (redukce N2 -> NH4)

heterocysta

thylakoidy

Sinice a obsah kyslíku v atmosféře

Sinice formovaly atmosféru a geologické podmínky na Zemi, určovaly vývoj dalších forem života

Doména Archaea

Jednobuněčné organismy, podobají se bakteriím (jedná se o prokaryota), ale mají nezávislou evoluční historii.

Poprvé rozpoznány jako samostatná skupina v 1977 pomocí sekvencí rRNA genů

Archea od “archaické” – znaky nejstarších forem života

Archea všudypřítomní podobně jako bakterie, ale navíc převládají v extrémních podmínkách

- extrémní teploty, salinita, pH (jak kyselé, tak zásadité)

Soda lake, Egypt, pH 11

Salt lake, Utah salinita až 27%

Kde žijí (téměř pouze) Archaea

Rio Tinto, Španělsko, odtok z dolů, pH < 4 Grand Prismatic Spring, Yellowstone National Park, 70°C

mají bakteriorhodopsin, halorhodopsin

Podobný protein (rhodopsin) jako v oku savců

Dokumentuje, že rhodopsinový receptor je evolučně velmi starý vynález – měla už LUCA

Využití jako světlem poháněná protonová pumpa, nebo jako receptor na světlo

Archaea nemají fotosyntézu, ale ..

Metanogenní ArcheaeProdukují methan jako odpadní produkt metabolismuČastý typ metabolismu u ArcheaStriktně anaerobní – nesnášejí kyslík , abundantní uvnitř “bílých kuřáků“

Methanocaldococcus jannaschii je modelová Archea

~ 1700 genů, cirkulární genom, 1.7 milionu bazí ~ 50% unikátních genů, které nejsou u Eukaryota a Bacteria

Geny pro metabolické dráhy – příbuznější k BacteriaGeny pro transkripci a translaci - příbuznější k Eukaryota

Metanogenní Archea

Metanogenní metabolismus

CO2 zabudováno do organickýchmolekul přes Acetyl-Koezym A

Eukaryota

>10 000x větší objem buňky než prokaryota (bakterie a archea)

Mají vlastní elektrárny –> mitochondrie, systém vakuolárního transportu, složitý cytoskelet, rozsáhlý genom rozdělený na chromozómy a uložený v jádře

Fotosyntetické eukaryota (řasy, rostliny) mají chloroplasty – zabudované sinice

Vyšší hladina kyslíku v atmosféře pravděpodobně nezbytná pro vznik eukaryot

Chemické pozůstatky eukaryot staré 2.7 miliardy let

Nejstarší mikrofosílie - 1.5 miliardy let

Prokaryota versus Eukaryota

Eukaryota - fylogenezephotoautotrofní

Historické členění, parafyletická skupina

Řasy – protisté podobní rostlinámPrvoci – protisté podobní živočichům

Protista jsou +/- jednobuněční eukaryota

Původ eukaryotEukaryotní buňka se jeví jako chiméra baktérie a archea

Všechny eukaryotní buňky mají pravděpodobně původ v jediné takové chiméře

Měla původní “archea“ jádro? K čemu?

ATP syntáza typ IV – pouze Archea a EukaryotaDNA asociovaná s histony - pouze Archea a EukaryotaSekreční systém podobný u Archea a Eukaroya

Chimerický původ eukaryot

Mnohobuněčnost a diferenciace~ před 2 miliardy let

Veškerý komplexní mnohobuněčný život (Metazoan) složen z eukaryotních buněk

(> 2mild let) Nejstarší fosílie mnohobuněčného eukaryotního organismu? Grypania Spiralis - možná řasa, ale ... ~ 500 mil let – Ediakarní fauna

měňavka Dictyostelium

řasaVolvox

Modelové organismy pro studium mnohobuněčnosti

• sinice Anabenna• měňavka Dictyostelium• hlístice háďátko Caenorhabditis elegans• moucha octomilka Drosophila melanogaster• rostlina Arabidopsis thaliana• žába (Xenopus), kuře a myš