Hon hittar nycklar till ekologi i celler som stjäl från andra

Naturen, röd i tand och klo, är full av organismer som äter sina grannar för att ta sig fram. Men i de system som studerats av den teoretiska ekologen Holly Möller, en biträdande professor i ekologi, evolution och marinbiologi vid University of California, Santa Barbara, de konsumerade blir en del av konsumenten på överraskande sätt.

Moeller studerar främst protister, en bred kategori av encelliga mikroorganismer som amöbor och paramecia som inte passar in i de välbekanta makroskopiska kategorierna djur, växter och svampar. Det som mest fascinerar henne är förmågan hos vissa protister att co-optera delar av cellerna de förgriper sig på. Beväpnade med dessa fortfarande fungerande bitar av sitt byte kan protisterna expandera till nya livsmiljöer och överleva där de inte kunde tidigare.

Att titta på dem ger Moeller en distinkt syn på den underliggande strukturen hos ekosystemen idag och de evolutionära krafter som skapade dem. Protisternas snatteri av organeller kan tyckas bisarrt, men mitokondrierna i våra egna celler markerar oss som produkter av ett relaterat slags metaboliskt förvärv av våra gamla förfäder.

"I vid bemärkelse är det här frågor om när och hur organismer specialiserar sig, och hur de kan bryta den specialiseringen genom att få tillgång till något nytt," sa hon. "För mig tar det här arbetet upp frågor om hur organismer expanderar sin ekologiska nisch, hur dessa förvärv kan vara permanenta och vad det betyder om hur ämnesomsättningen hoppar över spetsarna på grenarna på livets träd."

Quanta pratade med Moeller per telefon om hennes karriär, hennes forskning om förvärvad metabolism och teoretisk ekologi. Intervjun har förtätats och redigerats för tydlighetens skull.

Du har blivit välkänd i ekologi- och evolutionskretsar för ditt arbete med "förvärvad metabolism." Är det en term du kom på?

Inte avsiktligt. Det är vad jag menar med delar av din ämnesomsättning som inte är kodade i ditt eget genom. Du får tillgång till dem på något sätt genom att umgås med en annan art.

Det omfattar vissa former av symbios, men det är mer än så. Det inkluderar också saker som förvärvet av kloroplaster, de eukaryota organellerna för fotosyntes, från intagna byten, och till och med horisontell genöverföring, där en enskild gen eller ett helt paket av metaboliska gener plockas från en organism av en annan.

Jag är utbildad till samhällsekolog, så jag är mycket intresserad av de roller som organismer spelar i ekosystem och hur dessa nischer expanderar och drar ihop sig under sin livstid. Studiet av förvärvad metabolism kändes som en naturlig passform med det, eftersom det handlar mycket om hur organismer kan utöka sina nischer.

Är vad människor har med våra tarmbakterier förvärvad metabolism?

Jag tycker att det är ett bra exempel. Så mycket av vår förmåga att äta olika matkällor och metabolisera dem beror på dessa bakterier. Några av de viktiga vitaminer och kofaktorer som vi behöver, som vitamin K, tillverkas av mikrober som lever inuti vår tarm. Vi är mycket beroende av dessa partnerskap.

Vad ledde dig till den här forskningslinjen?

Du vet, bakterier rör sig ofta genom en process som kallas "tumling och löpning". De följer någon kemisk signal mot en resurs, men när signalen slocknar stannar de, de snurrar och de går i en slumpmässig riktning. Jag tror att detta är sant för många forskare också, inklusive mig. Vi följer ofta näsan och jagar saker som vi blir upphetsade över. Och ibland leder det oss till oväntade platser.

Jag hade tur. Mina föräldrar utbildade sig båda till vetenskapsmän, och även om ingen av dem arbetade som en under min uppväxt, visste jag att forskning var ett karriäralternativ. Jag hade också mycket tur i min grundutbildning vid Rutgers University, eftersom jag hade professorer som var intresserade och kopplade mig till en fakultetsmedlem som forskar om marina mikrober. Forskaren jag först arbetade med, Paul Falkowski, har eklektiska intressen. Men en av de saker som han studerade vid den tiden var hur kloroplaster spreds runt livets träd.

Det var här mitt intresse för förvärvad ämnesomsättning började. Jag tyckte att det var helt fascinerande, den här idén att något jag lärde mig om i läroböcker som en egenskap hos växter faktiskt var något de fick för ett par miljarder år sedan genom att få i sig en bakterie. Och att detta har hänt flera gånger. Jag började jobba med Paul och matt Johnson, som var hans postdoc vid den tiden, om organismer som stjäl kloroplaster idag och vad de kan berätta för oss om denna evolutionära process.

Jag älskar tanken att en organism kan börja i livet utan kloroplast och sedan bara plocka upp en.

Rätt? Tänk om vi hade en sallad till lunch, och så plötsligt blev våra armar gröna! Jag bor i södra Kalifornien just nu - jag kunde ta en promenad mellan klasserna och få all energi jag behövde. Även om jag gillar att äta lunch, så jag är inte säker på att jag verkligen skulle njuta av det.

I många fall blir dessa organismer som får kloroplaster ganska bundna till att göra fotosyntes. En del av de arter som vi arbetar med skulle dö om de inte kunde fotosyntetisera, så de kan inte överleva om de inte kan hitta ett byte att stjäla kloroplaster från. Det är en evolutionär nyfikenhet för mig att de backade in sig i det här hörnet.

Måste dessa arter fortsätta stjäla kloroplaster för att de så småningom bryts ner?

Generellt sett, ja. Men dessa kloroplaststjälande linjer varierar i hur bra de är på att upprätthålla kloroplasten. I denna grupp av marina ciliater som vi arbetar på kallas Mesodinium, vissa härstamningar stjäl inte kloroplaster alls. Vissa stjäl dem och kör ner dem i marken riktigt snabbt. Och andra stjäl dem men stjäl också funktionella kärnor från deras byte, vilket gör att de kan göra fler kloroplaster.

Metaforen jag älskar är att de som inte stjäl kloroplaster är som det väluppfostrade barnet som aldrig har stulit en bil. Andra stjäl bilen för en joyride, kraschar den in i ett träd och överger den. Men det är några som stjäl bilen men även instruktionsboken och de bygger en mekanikerverkstad för att ta väl hand om den stulna egendomen.

Det finns hela det här spektrumet, och eftersom de är nära besläktade kan vi fråga: Vilka är de evolutionära skillnaderna mellan dessa organismer som underlättade övergångarna?

Ärver de någonsin kloroplaster från sina moderceller? Om cellerna delar sig för att fortplanta sig, går inte kloroplasterna vidare också?

Några av dem gör det. I vissa härstamningar, när cellerna delar sig, delar de upp kloroplasttilldelningen mellan sig. För att fräscha upp och fylla på sina kloroplaster måste de stjäla dem genom att äta.

Men cellerna som håller den stulna kärnan - den stulna bruksanvisningen - kan få kloroplasterna att dela sig med resten av cellen. Kärnorna verkar vara vad de fortfarande behöver äta för. När de fångar en bytescell hänger de på dess kloroplaster, för varför inte? Men det verkar som att det som är avgörande är att de tar upp nya kärnor.

Hur är det möjligt för ciliaten att få energi från någon annans cellulära maskineri?

Det är en riktigt intressant fråga. När några av Mesodinium ciliater äter, de tar bort det mesta av bytescellen. Elektronmikroskopi har visat att kloroplasterna är ganska intakta, men de är också fortfarande inne i bytescellens relikcellsmembran. Och sedan har ciliaten ett eget membran runt allt det där, eftersom ciliatet stack in bytescellen i en vakuol [membranvesikel] när den fick i sig den.

Vi vet verkligen inte hur molekyler rör sig över detta multimembransystem. Det är något som vi försöker gräva i nu genom att följa vart proteinerna tar vägen.

Vilken evolutionär fråga hjälper detta arbete dig att svara på?

När vi undervisar i fotosyntes i skolan fokuserar vi mest på landväxterna, vars förfäder plockade upp kloroplaster för 2 miljarder år sedan, när de domesticerade frilevande cyanobakterier som endosymbionter.

Men när vi tittar på växtplankton i havet och sötvattensystemen är bilden mycket mer komplicerad. Vi tittar ofta på organismer som har vad som kallas en sekundär kloroplast, vilket betyder att de någon gång i sin evolutionära historia fick en kloroplast från något annat. Ibland ser man till och med tecken på tertiära kloroplaster, där organismer får kloroplaster som tagits från någon tredje cell. Dessa sekundära och tertiära endosymbioshändelser har ägt rum, tror vi, åtminstone ett halvdussin gånger. Och det har gett upphov till den enorma mångfalden av eukaryot växtplankton.

Hur ser det ut att gå från att vara något som är heterotrofiskt till något som är mycket fotosyntetiskt? Vilka förändringar måste du göra i din fysiologi? Var kan man överleva? Vilka naturliga urvalsgradienter måste finnas på plats? Studien av Mesodinium ger oss insikter i hur den övergången såg ut.

Hjälper förvärvad metabolism organismer att komma framåt?

I tidningen som vi publicerade tidigare i år tittade vi på en organism som blir fotosyntetisk genom att hysa endosymbiotiska alger. Det är både förvärvad ämnesomsättning och en symbios. Du kan öppna dessa sötvattensciliater som heter Paramecium bursaria och isolera algerna, så skulle algerna gärna leva och växa på egen hand.

Dessa paramecia är som små luddiga gröna klatter som virvlar runt i petriskålen. Vi började titta på hur dessa organismers konkurrensförmåga berodde på tillgången på ljus. Om de får energi från solljus, ju mer solljus det finns, desto mer energi bör de få för att växa. Vi trodde att det skulle sträcka sig till deras förmåga att konkurrera med andra arter.

Jag hade en otroligt duktig student, Veronica Hsu, som testade den idén. Vi hade den här inkubatorn med ljusbankar och små flaskor med kulturer som växte på olika ljusnivåer. Varannan dag tog Veronica prover på kulturerna och lade små droppar av dem i petriskålar. Sedan räknade hon antalet olika typer av ciliater i varje droppe.

Men även utan att göra en exakt räkning kunde man inom bara några veckor se att alla vita genomskinliga icke-fotosyntetiska ciliater försvann, medan all den ljusgröna paramecian ökade. Du kunde se tävlingen spela framför dina ögon.

Veronica visade att när ljuset ökade, så ökade också konkurrensförmågan hos organismen som hade förvärvat fotosyntes genom att vara värd för algerna. Och sedan räknade cellerna tillät oss att förstå data bakom detta fenomen.

Så att få dessa cellantal och bygga en matematisk modell av vad som hände var en viktig del av detta?

Ja, när vi kör de här experimenten är det mycket som räknas. Min kollega Caroline Tucker sa när vi gick i gymnasiet tillsammans, "Du vet, ekologi är bara vetenskapen om att räkna." Vid den tiden var jag lite förbittrad över hennes uttalande, men hon hade inte fel.

Det finns en del av mig som alltid kommer att tycka att det inte finns någon ersättning för att sitta med sin studieorganism och bli lite kär i den på labbet eller ute på fältet. När du sitter i ett mörkt rum och stirrar genom ett mikroskop känner du att du känner dessa olika arters personligheter. Vissa av dessa paramecia är lite silvervita och droppformade och väldigt genomskinliga eftersom de inte har några fotosyntetiska alger. När de är i en helt ny flaska med massor av bakterieresurser, så snubblar de runt långsamt, men när experimentet fortsätter är det som att du kan se dem bli hungriga framför dina ögon och de börjar simma riktigt snabbt. Och du kan göra observationer som sedan leder till ytterligare fynd.

Att kunna kombinera laboratorieexperiment med matematiska modeller tvingar mig att vara riktigt ärlig och tydlig om vad jag tror pågår. Vad menar vi med "förvärv" av ämnesomsättning? Vilka resurser får cellen genom att vara värd för fotosyntes? Hur exakt påverkar det dess konkurrensförmåga?

Nu har vi en modell som vi vet beskriver hur förvärvad metabolism kan förändra konkurrensförmågan. Och det har implikationer inte bara för förvärvad fotosyntes, utan också för andra förvärv av metabolism. De exakta detaljerna som vi kopplar in i modellen kan ändras beroende på systemet. Men vi har ett ramverk att använda.

Vi pratade om konkurrensfördelar som kan komma från förvärvad metabolism. Men finns det nackdelar med att ta över någon annans ämnesomsättning?

Definitivt. Det finns en teori om att våra mitokondrier - en annan metabolisk organell som vi förvärvade genom endosymbios - är anledningen till att vi åldras.

På grund av dem är vi engagerade i aerob metabolism och använder syre för att bränna kolhydrater och andra molekyler för energi. Men de reaktiva ämnen som mitokondrier och kloroplaster producerar kan också oxidera och nedbryta vår kropps DNA. Det här är farliga saker att lägga bredvid sitt genetiska material.

En sak som vi ibland ser hos dessa organismer som stjäl kloroplaster är att de har en hel del skyddande antioxidantmaskiner, som hjälper dem att hantera att ta på sig en kloroplast. Att ha en kloroplast kan göra det mycket farligt att vara i högljus. Man kan i princip bli solbränd. En cool sak demonstreras av Suzanne Ström, en vetenskapsman i Washington State vid Western Washington University, är att när organismer äter celler med kloroplaster, tenderar de att smälta dem snabbare när det finns mer ljus tillgängligt. Det kan bero på att ljus hjälper dig att bryta ner kloroplasten. Men det kan också vara så att den här organismen tänker: ”Jag leker med elden här; Jag måste bli av med det."

Så detta väcker intressanta frågor om vilka typer av miljöer som dessa organismer kan ha levt i när de först började hänga på kloroplaster. Jag misstänker att det förmodligen var en miljö med lägre ljus eftersom om din matsmältning beror på ljus, kommer lägre ljus att sakta ner det och även minska den skada som kloroplasterna kan göra. Du kan hantera det lite mer. Och Mesodinium är verkligen en art med svagt ljus. Men det är väldigt anekdotiskt. Vi behöver mycket mer bevis. Men naturligtvis finns det också saker som håller kvar kloroplaster som lever i en miljö med mycket ljus också.

Jag märkte på din Twitter att du håller på med mycket trädrotsräkning. Vad har det med detta andra arbete att göra?

En av de saker som jag älskar med att vara teoretisk ekolog är att jag kan syssla med många olika system.

Det är en annan aspekt av förvärvad metabolism som vi arbetar med. Så vi har pratat om att stjäla metaboliska maskiner från en annan organism. Men det finns också metabolisk mutualism - förvärvet av metabolism genom detta riktigt intima partnerskap mellan två organismer. Affären med träd, som vi alla vet, är fotosyntes. Men för att fotosyntetisera behöver träd näring och vatten från jorden. Och det visar sig, särskilt i tempererade ekosystem, att de får tillgång till dessa resurser genom att samarbeta med svampar, ektomykorrhizasvampar. Dessa är svampar som lever mestadels under marken, även om de ibland sätter upp riktigt läckra svampar, och ibland även giftiga. Svamparna är i samarbete med träden. Svamparna utmärker sig på att skörda näringsämnen från jorden och träden ger socker från fotosyntesen, så att de kan stödja varandra.

Denna metaboliska mutualism hjälper träd att överleva i alla möjliga olika miljöförhållanden och expandera sin ekologiska nisch. Ett träd kan samarbeta med vissa svampar som är bra för en miljö och med olika svampar i en annan miljö. Vi tror att detta gör att träd kan försörja sig under en mer varierad uppsättning miljöförhållanden än om de vore ensamma.

Det pratas så mycket om mikrobiomet, men vi glömmer att det måste ha varit riktigt svårt att få igång alla dessa relationer med mikrober i början.

Ja, helt och hållet. När vi får bättre miljödata från sekvensering, ser vi att i stort sett allt har någon form av mikrobiom, även om det lever på utsidan. Vem kontrollerade vems utveckling, vet du? Kanske var vi bara tvungna att hantera det faktum att våra tarmar skulle bli koloniserade av insekter och vi gjorde det bästa av det.

Det är därför jag tycker att studiet av förvärvad ämnesomsättning är så fascinerande. Du studerar organismer som gör dessa förvärv idag. Du får en inblick i hur de hanterade det där ekologiskt förr, vad urvalstrycket var och så vidare.

Jag känner att den teoretiska ekologin exploderar på sistone.

Jag tror att det är väldigt på modet nu.

Jag tror att en del av det ökande intresset för teori kommer från den överväldigande mängd information som vi har nu. När du har högar och högar med data, förstår du det genom att utveckla några enande teorier om det. Och matematiska modeller är ett sätt att närma sig det problemet. Jag tror att det är därför det har funnits ett större intresse bland våra doktorander för dessa ämnen, eller intresse på universiteten för att anställa teoretiska ekologer. Det handlar om att: Vi har enorma data. Och vi är redo.