Учёные собрали самое широкое на сегодня сравнение белкового состава митохондрий у далёких ветвей сложной жизни. Авторы сопоставили данные восьми организмов, а затем расширили анализ примерно до 200 видов и пришли к выводу, что общий предок современных эукариот уже обладал сложной митохондрией, способной получать энергию как с кислородом, так и без него.
Митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки, но такое описание передаёт лишь часть их работы. Эти внутриклеточные структуры участвуют в обмене веществ, производстве важных молекул и других процессах, причём за миллиарды лет разные организмы радикально перестроили митохондрии под собственный образ жизни.
Исследователи экспериментально составили новые каталоги митохондриальных белков для одного растения и пяти одноклеточных паразитов, а затем добавили уже известные данные человека и дрожжей. В сумме получилось 8 619 различных белков, объединённых в 3 199 семейств. У 43% семейств не нашлось известных белковых доменов в базе Pfam, поэтому значительная часть молекулярного устройства митохондрий остаётся плохо понятной.
Чтобы определить, какие белки действительно находятся внутри митохондрий, исследователи очищали клеточные структуры и анализировали их с помощью масс-спектрометрии. Метод позволяет разделять молекулы по массе и распознавать белки по характерным фрагментам. Такой экспериментальный подход дал эталонные наборы, на которых затем обучили вычислительную модель искать митохондриальные белки у видов, для которых подробных лабораторных каталогов пока нет.
Самый необычный пример сокращения нашли у лямблии Giardia. Связанная с митохондриями структура этого паразита содержит всего 59 белков и уже не производит энергию привычным митохондриальным способом. На другом конце шкалы оказались Leishmania и Trypanosoma: их наборы митохондриальных белков примерно на 50% больше человеческого и включают множество молекул, характерных только для отдельных групп паразитов.
Различия могут оказаться полезны не только для изучения эволюции. Авторы нашли 33 семейства белков, которые сохранились у нескольких болезнетворных эукариот, но отсутствуют у человека. Исследователи рассматривают такие белки как возможные мишени для будущих препаратов против протозойных инфекций. Пока речь идёт только о кандидатах: работа не показывает, что готовое лекарство уже существует или что найденные мишени обязательно окажутся пригодными для терапии.
Ещё более гибкую систему обнаружили у амёбы Acanthamoeba. Её митохондрии меняют способ получения энергии в зависимости от количества кислорода и способны переключаться между кислородным и бескислородным обменом. Авторы предполагают, что такая универсальность могла сохраниться со времён, когда древние эукариоты жили в среде с постоянно меняющимся уровнем кислорода.
Экспериментальные данные восьми организмов исследователи использовали для обучения модели, которая предсказала состав митохондрий примерно у 200 эукариот. Получилась своеобразная эволюционная карта: одни линии постепенно наращивали новые семейства белков, другие теряли их и превращали митохондрии в сильно упрощённые структуры. В отдельных случаях сокращение зашло настолько далеко, что органелла приблизилась к почти полной утрате.
На этой карте учёные попробовали восстановить митохондрию последнего общего предка эукариот, древней клетки, от которой происходят современные животные, растения, грибы и множество одноклеточных организмов. Расчёты указывают на уже довольно сложную систему, способную поддерживать и кислородный, и бескислородный обмен веществ.
Реконструкция также поддерживает сценарий, при котором митохондрия появилась сравнительно поздно в становлении эукариотической клетки. К моменту её приобретения предковая клетка, вероятно, уже успела обзавестись частью других сложных внутренних структур. Авторы не считают вопрос окончательно закрытым: последовательность событий, которые около двух миллиардов лет назад превратили союз древней клетки и бактерии в современную эукариотическую клетку, остаётся предметом научной дискуссии.
Согласно принятой модели, предок митохондрий когда-то был самостоятельной бактерией, оказавшейся внутри другой клетки. Со временем большая часть бактериальных генов либо исчезла, либо переместилась в ядерный геном хозяина, а бывший микроб превратился в постоянную часть клетки. Новое сравнение показывает, насколько сильно потомки одной древней системы разошлись за последующие миллиарды лет: от почти минимального набора из нескольких десятков белков до огромных молекулярных машин, превосходящих человеческие митохондрии по сложности.