Sinice: inženýři globálního ekosystému

Sinice se vyvinuly před více než třemi miliardami let. Obohatily atmosféru o kyslík, na němž dnes závisí většina života. Zároveň však způsobily globální katastrofu. I dnes coby nejpočetnější organismy planety významně ovlivňují vše živé.

Představte si, že stojíte ve skafandru na pobřeží oceánu a pozorujete západ slunce. V atmosféře není žádný kyslík a intenzita slunečního svitu je poněkud nižší než ta, na kterou jsme zvyklí. Pevninu kolem vás tvoří nekonečné plochy písku a černého kamene, nad nimiž se tyčí aktivní sopka. Nad nehostinnou krajinou vidíte vycházet Měsíc, ale zdá se mnohem větší.

Stojíte vůbec na Zemi? Ano, ale před třemi miliardami let. Shlédnete dolů k oceánu a všimnete si houbovitých útvarů, které omývá mořská voda. Stačí udělat pár kroků a můžete si stromatolity, jak se nazývají, pořádně prohlédnout. Vypadají jako kameny, ale prosvítá v nich zelená barva. Jsou živé, tvořené společenstvím bakterií a sinic. Kousek dál od pobřeží, u úpatí sopky, vyvěrají ze země horké prameny, ze kterých stoupá kouř a pára. Přiblížíte se k okraji horkých jezírek a spatříte zelený povlak, zdobený bublinkami plynu. I tady jsou sinice a produkují kyslík.

Asi takto si dnes představujeme prostředí, ve kterém se sinice kdysi vyvinuly. Tvář planety Země záhy proměnily k nepoznání a významně ji ovlivňují dodnes.

Výhoda dynamického genomu

Sinice (též cyanobakterie, Cyanobacteria či Cyanobacteriota) řadíme mezi bakterie. Mají tedy prokaryotní buňku, která je uspořádána jednodušeji než buňka eukaryotní. Nemají jádro ani žádné další membrány kromě tylakoidů, na nichž probíhá fotosyntéza. Ostatní součásti metabolismu jsou lokalizovány volně v cytoplazmě. Genetická informace je uložena v jednom kruhovitém chromozomu. Velikost genomu se pohybuje od jednoho milionu do deseti milionů bází. (Pro srovnání: genom člověka tvoří asi tři miliardy bází.) Sinice mohou mít i několik plazmidů – rovněž kruhovitých molekul DNA, které jsou však mnohem menší (několik tisíc bází) a často jsou na nich kódovány neesenciální součásti metabolismu, ale také geny pomáhající sinicím v adaptaci na nehostinné podmínky.

Jednou z nejdůležitějších vlastností genomů sinic a ostatních prokaryot je relativně rychlá fluktuace počtu genů, která jim poskytuje adaptační výhodu. Zatímco genomy rostlin a zvířat mají v rámci druhu poměrně stabilní počet genů (i když u nich je to již také často diskutované téma), u sinic pozorujeme v rámci jednoho druhu velké rozdíly jak v počtu, tak ve složení genů. Genom v jedné buňce má typicky několik tisíc různých genů, ale všechny genomy jednoho druhu jich mají dohromady desetitisíce, přičemž většina má dosud nejasnou funkci.

Soubor všech genů jednoho druhu (nebo jakéhokoliv jiného taxonu či populace) se nazývá pangenom. Kupříkladu pangenom tří druhů sinic rodu Laspinema, které jsme zkoumali v naší laboratoři, čítá 21 tisíc genů, což je téměř tolik genů jako v genomu člověka. Geny se mohou z genomu ztrácet, mohou se duplikovat a mohou také přibývat pomocí horizontálního přenosu genů (HPG) z ostatních sinic nebo dalších prokaryot. HPG si můžeme představit jako přenos kousku DNA z jedné buňky do jiné. Může to být část genu, celý gen nebo i větší molekula s mnoha geny. Jejím nositelem může být virus, který začleňuje kousek svého genomu do hostitelské buňky. Sinice a ostatní prokaryota jsou napadány těmito viry (bakteriofágy) velice často. Sinice mohou také přijímat DNA přímo z okolního prostředí a začleňovat ji do svého genomu. Poslední mechanismus HPG je mezibuněčná konjugace, při které se vyměňují molekuly DNA přímo mezi spojenými buňkami. Tento proces ale nebyl u sinic pozorován.

Sinice Prochlorococcus patří k nejhojnějším organismům planety. Odhaduje se, že v oceánech je asi 10²⁷ buněk tohoto rodu.

Chisholm Lab, volné dílo (volné dílo, CC0 1.0)

Takto dynamický genom často slouží k adaptaci na prostředí, což pomohlo sinicím úspěšně kolonizovat všemožná prostředí a dominovat globálnímu ekosystému po miliardy let. Klíčová vlastnost, která odlišuje sinice od ostatních bakterií, je jejich schopnost oxygenní fotosyntézy. (Známe několik skupin bakterií, které také ovládají fotosyntézu, ale na rozdíl od sinic při ní neprodukují kyslík.)