Az ELKH Ökológiai Kutatóközpont (ÖK) két munkatársa, Zachar István és Boza Gergely mikrobiális közösségekben vizsgálta, hogy milyen szerepet játszik a sejtek közötti együttműködés a magasabb szerveződési szintek kialakulásában. A kutatás során azonosították azokat a szelekciós erőket, amelyek elősegítik vagy éppen gátolják a mikrobiális közösségek felépülését, reprodukcióját és magasabb szerveződési szintek esetleges kialakulását. Az eredményeket összefoglaló tanulmány a Frontiers in Ecology and Evolution című rangos nemzetközi folyóiratban jelent meg.

A mikrobiális közösségek egysejtű szervezetekből, leggyakrabban baktériumok és archaeák sokaságából épülnek fel. Ilyenek például a biofilmek, amelyek a folyómedrek kövein, a növények gyökerein, az állatok és az ember bőrén vagy a tápcsatorna belső felületén alakulnak ki. Ezekre a közösségekre rendszerint igen nagy változatosság jellemző, ugyanakkor a kölcsönhatások többnyire a sejtek közvetlen szomszédságára korlátozódnak.

A mikrobiális közösségek körében az egyik leggyakrabban előforduló kölcsönhatás a metabolikus együttműködés, mely során a sejtek különféle anyagcseretermékeket engednek a környezetükbe, amelyek kis távolságokra, például a szomszéd sejthez szabadon eljutnak. Ezek a molekulák – amelyek lehetnek egyszerű táplálékmolekulák, antibiotikumok, enzimek vagy szignálmolekulák – nemcsak táplálékot jelentenek a szomszédnak, hanem gyakran sejtek közötti bonyolultabb, magasabb rendű kölcsönhatásokat is közvetítenek, végeredményben pedig serkentik vagy gátolják a partner szaporodását.

A mikrobiális világban általánosan elterjedtek a kölcsönös segítségnyújtásra, kooperációra épülő kölcsönhatások – például a szintrófia, azaz anyagcsere-együttműködés –, melyek rendkívül fontosak e közösségek kialakulása, működése és fenntartása szempontjából. Ugyanakkor a környezetbe kibocsátott és szabadon diffundáló termékek áltában költségesek, vagy csak veszteségek árán jutnak el a donortól a fogadó félhez, többek között a természetes lebomlás és az erőforráson élősködök miatt.

A metabolikus kooperáció leghatékonyabb formája az eltérő fajok egyedei közötti szimbiózis, és különösen az endoszimbiózis, amikor az egyik sejt a másik belsejébe költözik. Annak ellenére, hogy ez kézenfekvő megoldás lenne a mikrobák között oly gyakori kölcsönösen előnyös kapcsolatok stabilizálására, eddig csak egy ilyen eset ismert. A sejtmagvas (eukarióta) élőlények egyik legfontosabb vívmánya, a mitokondrium is endoszimbiózis révén alakult sejtszervecskévé, amikor körülbelül 2 milliárd évvel ezelőtt egy baktérium beköltözött egy másik archaea gazdába. Egyes elméletek szerint ez a rendkívül sikeres kapcsolat is a baktérium és az archaea kölcsönösen előnyös anyagcsere-szintrófiájából indult ki. Azonban a ma élő sejtmag nélküli egysejtűek (prokarióták) között egyáltalán nem ismerünk olyan szoros szintróf kapcsolatot, amely megközelítené az endoszimbiózist. Az eukarióták kialakulása prokarióta ősökből nagy evolúciós átmenet volt, melynek során a sejtek elveszítették önállóságukat, és új evolúciós egységet hoztak létre, mely egymaga felelős a minket körülvevő makroszkópos élővilágért. Hiába rendkívül elterjedt a szintrófia az egyszerű egysejtűek világában, egyetlen olyan bizonyítható esetet sem ismerünk, amikor az evolúció magasabb szerveződéshez, nagy átmenethez vezetett volna az ilyen szintróf közösségekben. Vajon a prokarióták miért nem képesek gyakrabban „szintet lépni”, miért nem látunk több hasonló nagy átmenetet?

Az ÖK kutatói vizsgálataik során az alapján kategorizálták a szelekciós erőket, hogy melyek segítik vagy gátolják a mikrobiális közösségek felépülését, reprodukcióját és magasabb szerveződés esetleges kialakulását. Számba vették azokat a közösségi tulajdonságokat ‒ fajösszetétel, csatolt anyagcsere, metabolikus funkciók, közösségfelépülési és interakciós mintázatok ‒, amelyek nemcsak, hogy stabilan fenntarthatók egy ilyen közösségben, új közösségek létrejöttekor újra megjelennek, és továbbadják a kisebb változásokat (vagyis örökítik az információt). Ha a baktériumtelepeknek van ilyen adaptív tulajdonsága, az stabilan fennmaradhat a populációban, például a telepalkotókból kialakuló új kolóniákban. Ha ez a tulajdonság szelektív előnyt jelent a kolóniának, akkor a magasabb szintű csoportszelekció révén fennmaradhat. Ez jelentené az első lépést egy bakteriális nagy átmenet felé. Erre azonban a baktériumközösségek (és felépülésük) nagy variabilitása miatt kicsi az esély, és egyelőre meggyőző példát sem látunk.

A kutatók szerint alternatív megoldást jelent az, amikor a magasabb szintű szelekció révén a laza kölcsönhatási hálózat szoros, páros szimbiózishoz vezet. Tankönyvi példa erre az endoszimbiózis, egy sejt beköltözése egy másik sejtbe, ami az eukariótáknál általános, a prokarióták világában azonban a mitokondrium eredetét leszámítva ismeretlen. Úgy tűnik, a prokarióták számára egyszer adatott meg, hogy magasabb szerveződési szintre lépjenek. Ez a gyümölcsöző kapcsolat vezetett el ahhoz is, hogy e sorokat elolvashassuk.

Publikáció:

Zachar I and Boza G (2022). The Evolution of Microbial Facilitation: Sociogenesis, Symbiogenesis, and Transition in Individuality. Front. Ecol. Evol. 10:798045. doi: 10.3389/fevo.2022.798045