Az élethez szükséges minimum

Japán kutatók minden eddiginél kisebb méretű genetikai állománnyal rendelkező baktériumokat fedeztek fel. Ismét felmerül a kérdés: vajon mekkora az a legkisebb genom, ami elegendő információt tartalmaz egy élő szervezet felépítéséhez és működtetéséhez?

A Carsonella ruddii (a továbbiakban C. ruddii) nevű baktérium növényi nedvekkel táplálkozó rovarokkal él szimbiózisban. Genetikai állománya (genomja) mindössze 160 ezer bázispárból áll - ez a meglepően alacsony érték körülbelül az egyharmada az eddigi "minimum-rekordnak" -, és 182 gént tartalmaz. Összehasonlításképpen, az emberi genom megközelítőleg 3 milliárd bázispárból áll, és körülbelül 20 ezer gént tartalmaz.

"Minimál-genomok"

A felfedezéssel egyidőben egy másik kutatócsoport is szokatlan genomméretre bukkant egy szintén szimbiózisban élő baktériumfajnál: a Buchnera aphidicola (a továbbiakban B. aphidicola) DNS-e 400 ezer bázispárból áll, ami ugyan több mint kétszerese a C. rudii genomjának, de még ez is kisebb, mint amivel valaha is találkoztunk - olvasható a Nature online hírportálján. Ismét felmerül tehát a kérdés: vajon mekkora az a legkisebb genom, ami elegendő információt tartalmaz egy élő szervezet felépítéséhez és működetéséhez?

Ezeknek a genomoknak a mérete már abba a tartományba esik, amit elvileg mesterségesen is elő lehet állítani. Az ilyen "minimál-genomok" vizsgálatával megtudhatjuk, hogy mennyi az élethez szükséges minimális információtartalom, és ez pontosan milyen fehérjéket, illetve szabályozó elemeket kódol. Ezt a tudást pedig fel lehet használni olyan mesterséges baktériumok megtervezésénél, amelyek valamilyen hasznos funkcióval rendelkeznek: például gyógyszert vagy hidrogént termelnek (sokak szerint a hidrogén lehet a jövő legfontosabb energiahordozója).

Genetikailag módosított baktériumokat már régóta használunk ilyen célokra: a cukorbetegek számára az inzulint például ún. rekombináns DNS-technológiával állítják elő, ami azt jelenti, hogy egy baktérium genomjába beépítik az inzulint kódoló emberi gént (két különböző faj DNS-ének egyesítését nevezzük rekombináns DNS-nek). A baktérium így legyártja az inzulinfüggő cukorbetegségben szenvedők számára nélkülözhetetlen inzulint.

2002-ben, amikor először merült fel a megvalósítás szintjén a mesterséges baktérium ötlete, még úgy gondolták, hogy legalább 300 génnel kell rendelkeznie egy élő szervezetnek. Később egyre kevesebb gént jósoltak, végül egy 2006-ban megjelent közleményben a hipotetikus minimális genom méretét 113 ezer bázispárra becsülték, ami 151 gént tartalmazna. Ezek az értékek jól közelítik a C. ruddii genomjának méretét.

A minimum alatt

Az általános elképzelés szerint a minimális bakteriális genomnak tartalmaznia kell a DNS megkettőződéséhez, illetve az RNS- és a fehérjeszintézishez szükséges géneket, valamint azon enzimek génjeit, melyek az alapvető építőelemek, például aminosavak felépítéséhez szükségesek.

A B. aphidocola baktérium azonban nem rendelkezik az egyik aminosavat, a triptofánt előállító enzimapparátussal. Mivel gazdaszervezete, egy levéltetű faj sem képes ezt előállítani, feltételezik, hogy van egy második szimbiotikus kapcsolata egy olyan baktériummal, ami elő tudja állítani a triptofánt. A baktérium tehát a 400 ezer bázispár méretű genomjával nem tud független maradni.

A Carsonella ruddii esete még szélsőségesebb. Úgy tűnik, hogy génkészlete hiányos a legtöbb olyan biológiai folyamat esetében, amely elengedhetetlen a bakteriális élethez. Egyelőre még a kutatók sem tudják, hogy milyen megoldást "dolgozott ki" a C. ruddii ennek a paradoxonnak a megoldására, ám létezik egy olyan elgondolás, hogy a baktérium egyes génjei az evolúció során átkerültek a gazdaszervezet sejtjeinek genomjába.

Az elképzelések szerint pontosan ilyen mechanizmus során alakultak ki sejtjeinkben a mitokondriumok mai formái, melyekről úgy tartják, hogy bakteriális eredetűek. A mitokondriumok, melyek a sejt energiaellátásáért felelősek, rendelkeznek önálló genommal. A mitokondriális genom emberben 16 ezer bázispárból áll, és 13 fehérjét kódol, ám a mitokondriális enzimek nagy része már a sejtmagban kódolt - ezekről úgy gondolják, hogy az évezredek során a mitokondriális genomból a sejtmagi genomba "vándoroltak".

Lehetséges tehát, hogy a C. ruddii baktériumot éppen egy olyan evolúciós állapotában sikerült megfigyelni, mikor még ugyan önálló szervezet, de identitását már részben elvesztette, és hamarosan elnyeli a gazdasejt, amivel szépen lassan egyesül.

Selmeczi Anna