Vývoj a rozmanitost (buňečného) života Roman Sobotka

Rozmanitost života živočichové a rostliny

Protonový gradient je principem buněčné energetiky Univerzální 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 Různé formy života se odlišují ve strategii: 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+...)

Rozmanitost metabolismu – zdroj energie (elektronů) a uhlíku

Rozmanitost metabolismu Z čeho elektrony brát (co je oxidováno) ------> a kam je poté “vyhořelé“ elektrony odevzdat (za vzniku čeho) Fotoautotrofní H2O (+ energie fotonů) ----> O2 (H2O) - aerobně H2S (+ energie fotonů) -----> Organická hmota - anaerobně Chemolitotrofní Fe2+, H2S, ... ------> CO2 (CH4) H2 ------------------> CO2 (CH4) CO (za vzniku CO2) ---------------> CO2 (CH4) Fe2+ (za vzniku Fe2O3) ---------------> O2 (H2O) Fotoheterotrofní Organická hmota (+ energie fotonů) --------------> Organická hmota Chemoheterotrofní Organická hmota -------------------> O2 (H2O) Organická hmota -------------------> CO2 (CH4) Organická hmota -------------------> H+ (H2) Organická hmota -------------------> Organická hmota (e.g. butanol)

Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA Je možné rozpoznat tři domény života – Bacteria, Archea a Eukarya (Eukaryota) LUCA Last Universal Common Ancestor

Konstrukce stromu života na základě 16S (18S) rRNA Variabilní oblasti v případě 16S (18S) rRNA z malé podjednotky ribozomu.

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 rekonstruovat Moderní 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? “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 Autor hypotézy je Michael Russell (NASA) 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

pyruvát Krebsův (citrátový) cyklus

LUCA Last Universal Common Ancestor

Bacteria Prokaryotní mikroorganismy (Prokaryota), všudypřítomné Velikost 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 ~ 2mm 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

Organizace genomové DNA prokaryot Většinou cirkulární chromozóm, několik milionů páru bazí = 1-2 mm délka (buňka 1-2 mM) Chromozóm je kondenzován ve středu buňky, ale obsahuje flexibilní kličky, které dosahují k plasmatické membráně.

Organizace genomové DNA prokaryot Genomová DNA prokaryot kondenzovaná uprostřed buňky Duplikace DNA předchází dělení buňky Ribozómy jsou v oblasti, kde není DNA ribozom 1x chromozóm

Bakteriální cytoskelet Cytoskelet je často prezentován jako unikátní struktura eukaryotních buněk Během 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

Bakteriální cytoskelet Potvrzena funkce cytoskeletu v udržení tvaru buněk, nepochybně mnohem širší paleta funkcí .. Spiroplasma Bacillus subtilis

Bakteriální flagela (bičík) 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) Periplasma Peptidoglykan

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 buněk Transdukce – DNA se dostane do bakterie pomocí bakteriálních virů (fágů) Každá bakterie je GMO ...

Konjugace – bakteriální forma sexu Bakterie se propojí a přitáhnou pomocí specializovaného pilu – sex pilu, dojde k těsnému kontaktu 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 Sex pilus

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 let První mnohobuněčné organismy se specializovanými buňkami - heterocysty, kde dochází k fixaci vzdušného dusíku (redukce N2 -> NH4) thylakoidy heterocysta

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)

Kde žijí (téměř pouze) Archaea Salt lake, Utah salinita až 27% Soda lake, Egypt, pH 11 Grand Prismatic Spring, Yellowstone National Park, 70°C Rio Tinto, Španělsko, odtok z dolů, pH < 4

Archaea nemají fotosyntézu, ale .. 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

Metanogenní Archeae Produkují methan jako odpadní produkt metabolismu Častý typ metabolismu u Archea Striktně 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 Bacteria Geny pro transkripci a translaci - příbuznější k Eukaryota

Metanogenní Archea

Metanogenní metabolismus CO2 zabudováno do organických molekul přes Acetyl-Koezym A

Eukaryota Chemické pozůstatky eukaryot staré 2.7 miliardy let Nejstarší mikrofosílie - 1.5 miliardy let >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

Prokaryota versus Eukaryota

Eukaryota - fylogeneze photoautotrofní

Protista jsou +/- jednobuněční eukaryota Historické členění, parafyletická skupina Řasy – protisté podobní rostlinám Prvoci – protisté podobní živočichům

Původ eukaryot Eukaryotní buňka se jeví jako chiméra baktérie a archea Všechny eukaryotní buňky mají pravděpodobně původ v jediné takové chiméře Měla původní “archea“ jádro? K čemu?

Chimerický původ eukaryot ATP syntáza typ IV – pouze Archea a Eukaryota DNA asociovaná s histony - pouze Archea a Eukaryota Sekreční systém podobný u Archea a Eukaroya

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 řasa Volvox

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