Než se Nishant Narayanasamy připojil k laboratoři Shashi Thutupalli v Národním centru pro biologické vědy (NCBS) v Bengaluru, měla laboratoř nového hosta: kvasinková kolonie, která se zdánlivě pěstovala za jeho očekávanou velikost.
Kvasinky na sněhové vločce byly odeslány z laboratoře Williama Ratcliffa na Gruzínském institutu technologie v amerických pravidelných kvasinkách – stejný organismus, který způsobuje, že koláče nadýchané – roste jako jediná buňka. Když dosáhne určité velikosti, na jejím povrchu se objeví malá rána. Jádro kvasinek, oddíl, který drží svůj genetický materiál, se rozdělí na dva a přesune se do tohoto pupenu. Bud roste, dokud nedosáhne určité velikosti a nakonec spadne od rodičů, takže nové kvasinky.
Malá změna genetického složení z sněhové vločky však brání pádu pupenu. Jakmile se objevují novější pupeny, kvasinkové shluky ve tvaru sněhové vločky. A jak shluk roste, za asi 12 hodin se stane velkým blob viditelným pouhým okem.
Kvasinky na sněhovou vločku byly použity ke studiu, jak se formy života poprvé staly mnohobuněčnými. Mnohobuněčné organismy mohou růst mnohem větší než organismy s pouze jednou buňkou – pokud dokážou řešit ostatní účinky velkoryvosti. Jak například organismus zajišťuje, že všechny buňky v jejím těle dostávají živiny, které potřebují k růstu?
To je důvod, proč většina zvířat a rostlin vyvinula specifické struktury pro přepravu živin. Krevní a krevní cévy dělají tuto práci u lidí.
Jednoduchý proces
Kvasinky na sněhové vločce však takové zařízení nemají, což znamená, že v určitém okamžiku by kvasinky měly přestat růst. Jakékoli další zvětšení velikosti by způsobilo, že by alespoň některé z jeho buněk nedostaly dostatek živin. Avšak vzdorující očekávání, snižová kvasinka v Thutupalliho laboratoře pokračovala v růstu – to také exponenciálním tempem. Jak kvasinky dosáhly tohoto výkonu, bylo záhadou.
Narayanasamy a Thutupalli, spolu s týmem z Georgia Tech, uvedli v čísle června 2025 Pokroky vědy Mechanismus, kterým mohou kvasinky zajistit, aby všechny jeho buňky přijímaly živiny, i když je klastr velký. Při absenci biologické struktury, kvasinky stále rostou díky jednoduchému fyzickému procesu, psali autoři ve svém příspěvku.
Důsledky práce přesahují, jak rostou kvasinky. Práce „nabízí podporu nekonvenčnímu pohledu na to, jak jsou zásadní změny iniciovány ve vývoji“, řekl Vidyanand Nanjundiah, evoluční biolog a profesor v Centru pro lidskou genetiku, Bengaluru. S studií nebyl spojen.
Konsenzus mezi vědci spočívá v tom, že mnohobuněčné organismy se vyvinuly miliardy let, kdy se mutace v průběhu času hromadily. Ale práce Narayanasamyho a Thutupalliho naznačují, že samotné fyzikální a chemické jevy by mohly pomoci jednobuněčným organismům se vyvinout na mnohobuněčné ty, než se do obrázku dostaly genetické změny.
Proudí do multicelularity
V laboratoři mohou být kvasinky pěstovány buď v roztoku nebo želé podobné látce, která obsahuje všechny její živiny. Narayanasamy a Thutupalli pozorovali, že velké shluky kvasinek na sněhové vločce nadále rostou exponenciálně pouze tehdy, když jsou v roztoku. Zdálo se, že je obklopeno tekutinou, která byla rozhodující.
Difúze je jedním ze způsobů, jak se živiny pohybují tekutinou: částice pohybující se z místa, kde je jejich koncentrace vyšší na místo, kde je nižší. Narayanasamy a Thutupalli však z předchozí práce věděli, že samotná difúze nemohla odpovídat za velikost velkých shluků s kvasinkami sněhové vločky. Podle jejich odhadu může difúze vysvětlit růst těchto shluků až do velikosti asi 50 mikrometrů (µm), zatímco jejich shluky by mohly růst až 20x větší.
Předpokládali tedy, že je ve hře jiný proces: rada, když se tekutina pohybuje kolem a nese s sebou rozpuštěné živiny. Pro testování jejich hypotézy přidali k roztoku malé částice potažené barvivem, které svítí v modrém světle. Použití mikroskopu ke sledování toho, jak se tyto částice pohybovaly v roztoku, by jim mohly pomoci vizualizovat tok tekutiny.
K tomuto řešení přidali shluk kvasinek na sněhové vločce a nechali jej růst. Duo poznamenalo, že jak se shluk rozšířil, roztok kolem něj se pohyboval uvnitř shluku z jeho stran a poté unikl shora.
Přírodní motor
Některé jednobuněčné organismy mohou způsobit, že tekutiny proudí pomocí specializovaných struktur podobných vlasům nebo bičům zvaným cilia nebo bičík. Snowflake kvasinky nemají ani. To je místo, kde je fyzika důležitá.
Když rostou shluky z kvasinců sněhové vločky, konzumují z roztoku glukózu. To snižuje hustotu roztoku v místech, kde obklopuje kvasinky. Shluk také produkuje oxid alkohol a uhličitý, které jsou podle papíru méně husté než roztok.
Tekutiny, které jsou méně husté – v tomto případě okolní roztok vyčerpaný glukózou a obohacený o alkohol a oxid uhličitý – stoupají nad zbytkem roztoku. Tým odůvodnil tok, který pozoroval, vyplynul ze stejného principu: protože shluk spotřeboval cukr a v roztoku produkoval alkohol a oxid uhličitý, hustota roztoku klesla. Tato frakce se spontánně posunula vzhůru a generovala tok, který udržoval kvasinkový shluk naživu a rostoucí.
Abychom to potvrdili, duo zkontrolovalo, zda byly přítomny toky kolem shluků, které jsou mrtvé a neaktivějí cukr. Nic nenašli a uzavřeli živé shluky metabolizující cukr z roztoku vytvořily toky.
Jiný pohled na evoluci
Biologové použili shluky z kvasinkách sněhové vločky jako model ke studiu, jak se vícebuněčné organismy vyvinuly z jednobuněčných. Na rozdíl od pohledu s genetickými změnami nová studie podporuje myšlenku, že „multicelularita by mohla vzniknout a být zpočátku udržována pouze na základě fyziky a chemie, bez genetické změny,“ řekl Nanjundiah. „Pozdější genetická změna by pak mohla způsobit, že multicelularita v … živých bytostech dneška,“ dodal.
Dalším krokem pro něj je zkontrolovat, zda k takové změně následně dojde v kvasinkách, což způsobuje, že multicelularita je součástí jeho biologického plánu.
Gautam Menon, profesor fyziky a biologie na Ashoka University v Sonepatu, nazval studii „fascinující“ a alternativním modelem „lákavě atraktivní“.
Jak vědci čekají na více důkazů o tomto modelu, tým NCBS zkoumá, zda tyto toky mohou odpovídat za jiné významné evoluční změny: schopnost organismů pohybovat se například.
Experimenty na kvasinkách s sněhovou vločkou mají co učit o povaze biologie, řekl Thutupalli. „Ve volné přírodě nemusí existovat žádný organismus, který generuje toky takovým mechanismem,“ řekl, „ale biologie to dokáže v jeho mnohem větším smyslu.“
To je důvod, proč, dodal, náš pohled na biologii musí přesahovat to, co vidíme v přirozeném světě, na nové jevy, které se mohou vyskytnout pouze v laboratoři. „To se může nebo nemusí stát venku (laboratoř), ale jsou to skutečně rysem života – biologie.“
Sayantan Datta je vědecký novinář a člen fakulty na univerzitě Krea.
Publikováno – 21. června 2025 11:30
