Как бактерии стали многоклеточными: система разделения ДНК эволюционировала во внутриклеточный каркас

Почему бактериям не нужны новые гены для многоклеточности: история одного перепрофилирования

Эволюция редко изобретает с нуля. Чаще она берёт уже работающую деталь и переделывает её под новую задачу. Биологи называют это экзаптацией. И лучший пример за последние годы — как цианобактерии построили себе внутренний каркас, не добавляя ни одного нового гена.

Всё началось с плазмид. Это маленькие кольцевые молекулы ДНК, которые живут внутри бактерий и несут полезные гены — например, устойчивость к антибиотикам. Плазмидам нужно было гарантировать, что при делении клетки их копии не потеряются. Для этого у некоторых есть собственная система сегрегации: два белка — ParM и ParR.

Как это работало раньше

Белок ParM умеет полимеризоваться. Он выстраивает длинную нить прямо в центре клетки. ParR — адаптер: он связывается и с плазмидой, и с концом нити. Нить растёт и расталкивает две копии плазмиды к разным полюсам. Всё механично и просто.

Считалось, что у этой системы одна-единственная функция — разводить плазмиды. Но когда учёные из Австрийского института науки и технологий начали секвенировать геномы нитчатых цианобактерий (модельный организм — Anabaena), они нашли гены ParMR не на плазмидах, а прямо в хромосоме. Логичная гипотеза: бактерия использует ту же систему, чтобы распределять свои собственные хромосомы при делении.

«Мы удалили эти гены из генома — и ждали, что нарушится деление ДНК. А вместо этого клетки превратились в шары. Вот тут-то мы и поняли, что ошибались». (личное наблюдение автора: часто самые интересные открытия — это результат провала первоначальной гипотезы)

Ошибка, которая всё изменила

Мутантные цианобактерии потеряли цилиндрическую форму. Они раздулись, стали сферическими и перестали собираться в многоклеточные цепочки. Нити, которые должны были перемещать ДНК, на самом деле контролировали архитектуру клеточной стенки. Систему переименовали в CorMR («Cor» — кортикальный, то есть прилегающий к оболочке).

Как так вышло? Сравним:

Anabaena «перепрошила» систему одной простой модификацией: у белка-адаптера исчез домен, связывающий ДНК, и появилась амфипатическая альфа-спираль. Одна сторона этой спирали гидрофильная, другая — гидрофобная. Такая структура позволяет CorR буквально встраиваться в липидный бислой клеточной мембраны. CorR стал мембранным фиксатором. Он закрепляется на оболочке и тянет за собой нити CorM, которые полимеризуются поперёк клетки.

Криоэлектронная микроскопия показала: нити собираются в двойные параллельные волокна, которые обладают динамической нестабильностью — растут и разрушаются. Эта упругая сетка принимает на себя внутреннее давление (тургор) и не даёт клетке расползтись в шар.

Как цитоскелет не мешает делению

Если каркас жёсткий, клетка не сможет делиться — перегородка не сформируется. Природа решила эту проблему с помощью системы Min. Белок MinC постоянно колеблется от полюса к полюсу. У многоклеточных цианобактерий MinC оказался длиннее, чем у одноклеточных сородичей — у него появился дополнительный сегмент, который идеально подходит к месту связывания CorM.

Когда MinC присоединяется к нити, он вытесняет мембранный фиксатор CorR — и нить разрушается. Мигрируя по клетке, MinC локально разбирает каркас на полюсах и в зоне будущей перегородки. Так цитоскелет остаётся только на боковых стенках, позволяя клетке удлиняться и формировать ровные многоклеточные цепочки.

Ключевой вывод: для перехода к многоклеточности этим бактериям не понадобились новые гены. Всё, что потребовалось — несколько точечных изменений в уже существующих белках. Замена одного домена на мембранную спираль и удлинение MinC — и система управления плазмидами превратилась в полноценный цитоскелет.

Это ещё раз доказывает, что эволюция — гениальный компилятор. Она не пишет код с нуля, а переиспользует старые библиотеки, добавляя новые импорты. И иногда из плазмидного сортировщика получается скелет целого многоклеточного организма.

От автора. Когда в следующий раз услышите, что для сложности жизни нужны «уникальные гены» — вспомните про цианобактерий. Им хватило одного совпадения и пары правок. Так что не усложняйте там, где можно просто перепрофилировать.