Mitokondrier är fack - så kallade "organeller" - i våra celler som tillhandahåller den kemiska energiförsörjning vi behöver för att röra oss, tänka och leva. Kloroplaster är organeller i växter och alger som fångar solljus och utför fotosyntes. Vid en första anblick kan de se världar isär. Men ett internationellt team av forskare, ledda av universitetet i Bergen, har använt datavetenskap och beräkningsbiologi för att visa att samma "regler" har format hur båda dessa organelltyper – och fler – har utvecklats genom livets historia.

Båda typerna av organeller var en gång oberoende organismer, med sina egna fullständiga genom. För miljarder år sedan fångades dessa organismer och fängslades av andra celler – förfäder till moderna arter. Sedan dess har organellerna förlorat de flesta av sina genom, med endast en handfull gener kvar i dagens mitokondrie- och kloroplast-DNA. Dessa återstående gener är viktiga för livet och viktiga i många förödande sjukdomar, men varför de stannar i organell-DNA, när så många andra har gått förlorade, har diskuterats i decennier.

För ett nytt perspektiv på denna fråga tog forskarna ett datadrivet tillvägagångssätt. De samlade in data om allt organell-DNA som har sekvenserats genom livet. De använde sedan modellering, biokemi och strukturell biologi för att representera ett brett spektrum av olika hypoteser om genretention som en uppsättning siffror associerade med varje gen. Med hjälp av verktyg från datavetenskap och statistik frågade de vilka idéer som bäst kunde förklara mönstren för kvarhållna gener i den data de hade sammanställt – testa resultaten med osynliga data för att kontrollera deras styrka.

"Några tydliga mönster uppstod från modelleringen", förklarar Kostas Giannakis, en postdoktor vid Bergen och medförfattare på tidningen. "Många av dessa gener kodar för underenheter av större cellulära maskiner, som är sammansatta som en sticksåg. Gener för bitarna i mitten av sticksågen stannar med största sannolikhet i organell-DNA."

Teamet tror att detta beror på att lokal kontroll över produktionen av sådana centrala subenheter hjälper organellen att snabbt reagera på förändring - en version av den så kallade "CoRR"-modellen. De fann också stöd för andra befintliga, omdebatterade och nya idéer. Till exempel, om en genprodukt är hydrofob och svår att importera till organellen utifrån, visar data att den ofta hålls kvar där. Gener som själva är kodade med hjälp av starkare bindande kemiska grupper behålls också oftare, kanske för att de är mer robusta i organellens hårda miljö.

"Dessa olika hypoteser har vanligtvis ansetts vara konkurrerande tidigare", säger Iain Johnston, professor vid Bergen och ledare för laget. "Men faktiskt ingen enskild mekanism kan förklara alla observationer – det krävs en kombination. En styrka med detta opartiska, datadrivna tillvägagångssätt är att det kan visa att många idéer delvis är rätt, men ingen exklusivt, vilket kanske förklarar den långa debatten om dessa ämnen."

Till sin förvåning fann teamet också att deras modeller tränade för att beskriva mitokondriella gener också förutspådde bibehållandet av kloroplastgener, och vice versa. De fann också att samma genetiska egenskaper som formar mitokondrie- och kloroplast-DNA också verkar spela en roll i utvecklingen av andra endosymbionter – organismer som på senare tid har fångats av andra värdar, från alger till insekter.

"Det var ett wow-ögonblick", säger Johnston. "Vi och andra har haft den här idén att liknande tryck kan tillämpas på utvecklingen av olika organeller. Men att se denna universella, kvantitativa länk – data från en organell som exakt förutsäger mönster i en annan, och i nyare endosymbionter – var verkligen slående."

Studien publiceras i Cell Systems , och teamet arbetar nu med en parallell fråga - hur olika organismer upprätthåller de organellgener som de behåller. Mutationer i mitokondrie-DNA kan orsaka förödande ärftliga sjukdomar; teamet använder modellering, statistik och experiment för att utforska hur dessa mutationer hanteras hos människor, växter och mer. + Utforska vidare

Nya ledtrådar till hur växter behåller friska genom, undviker mitokondriell sjukdom