Många organismer är mycket mer komplexa än bara en enda art. Människor, till exempel, är fulla av en mängd olika mikrober. Vissa varelser har dock ännu mer speciella kopplingar.
Acoels, unika marina maskar som regenererar sina kroppar efter skada, kan bilda symbiotiska relationer med fotosyntetiska alger som lever inuti dem. Dessa samlingar av symbiotiska organismer kallas en holobiont, och sättet som de "pratar" med varandra är något som forskare försöker förstå – särskilt när arten i fråga är ett djur och en soldriven mikrob.
Bo Wang, biträdande professor i bioteknik vid Schools of Engineering and of Medicine i Stanford, har börjat hitta några svar. Hans labb, i samarbete med University of San Francisco, studerar Convolutriloba longifissura, en art av acoel som är värd för den symbiotiska algen Tetraselmis.
Enligt ny forskning, publicerad i Nature Communications , fann forskarna att när C. longifissura regenererar, styr en genetisk faktor som deltar i regenereringen av acoel också hur algerna inuti dem reagerar.
"Vi vet ännu inte hur dessa arter pratar med varandra eller vad budbärarna är. Men detta visar att deras gennätverk är anslutna", säger Wang, som är en senior författare till tidningen.
Dela maskar
Eftersom holobiont är ett relativt nytt koncept, är forskare fortfarande inte säkra på vad vissa relationer har. Det udda namnet "acoel" är grekiska för "ingen tarm", eftersom maskarna inte har någon mage att tala om. Istället går allt som de äter direkt in i deras inre vävnader - vilket också är där algerna flyter och fotosyntetiseras inuti deras kroppar. Detta förhållande ger en säker zon för algerna och extra energi från fotosyntes till acoel.
"Det fanns ingen garanti för att det fanns kommunikation eftersom algerna inte finns i acoels celler, de flyter runt dem", säger James Sikes, forskare vid University of San Francisco och medförfattare till tidningen. Sikes har arbetat med acoels i cirka 20 år, och deras symbiotiska förhållande skiljer dem från andra djur som regenererar, som planära plattmaskar och axolotler.
När dessa acoels reproducerar sig asexuellt delar de sig först upp. Huvudregionen växer en svans och blir en ny acoel. Svansen fungerar dock som den mytologiska Hydra och får två nya huvuden, som sedan delas i två separata djur.
Djurregenerering kräver kommunikation över många olika celltyper, men i det här fallet kan det också involvera en annan organism helt och hållet.
Forskare var nyfikna på hur algkolonierna inuti reagerade på denna process - i synnerhet om de fortsatte att fotosyntetisera som vanligt, och om inte, vad var det som styrde det? Detta var särskilt förbryllande eftersom teamet fann att fotosyntes inte krävdes för att acoels skulle regenerera – de kunde göra det i mörker. Men det måste finnas samtal mellan arterna för att de ska överleva på lång sikt.
"Att testa om fotosyntesen påverkades var ett äventyr. Ingen av oss visste vad vi gjorde", säger Dania Nanes Sarfati, huvudförfattare till tidningen, som var doktorand i Wangs labb och Stanford Bio-X Bowes Fellow. "En av de mest spännande sakerna var att vi faktiskt kunde mäta algfotosyntes som händer inuti djuret."
Dessutom, genom sekvensering, kunde teamet skilja generna från de två arterna och ta reda på vilka vägar som svarade på skada. Dessa mätningar hjälpte dem att inse att algerna inuti genomgick en stor rekonstruktion av deras fotosyntetiska maskineri under regenereringen – men processen genom vilken den kontrollerades var chockerande.
När resultaten kom tillbaka sa Wang att det oförutsägbara hände. Under regenerering verkade både acoelens återväxt och algfotosyntesen styras av en vanlig transkriptionsfaktor i acoels som kallas "runt."
I det tidiga skedet, direkt efter skadan, aktiveras "runt", vilket sätter igång regenereringsprocessen. Samtidigt avtar algfotosyntesen, men det finns en uppreglering i alggener som är förknippade med fotosyntes - sannolikt för att kompensera för förlusten i fotosyntes på grund av splittringen. Men när forskarna slog ner "runt" stoppade det både regenerering och algresponsen.
Det som är speciellt med runt är att det är mycket konserverat, vilket betyder att samma faktor är ansvarig för regenerering i många olika organismer, inklusive icke-symbiotiska acoels. Men nu är det klart att istället för att bara kontrollera acoelens regenerativa process, styr den också kommunikationen med en annan art.
Att förstå hur partners i symbiotiska relationer kommunicerar på molekylär nivå öppnar upp för många nya frågor för detta forskningsfält. "Finns det regler för symbios? Finns de?" sa Nanes Sarfati. "Denna forskning väcker den här typen av frågor, som vi kan koppla till andra organismer."
Wang tror att det introducerar fler sätt att undersöka hur symbiotiska arter interagerar och kopplar ihop sig för att bilda holobionter. Vissa av dessa interaktioner kan potentiellt drivas av kemikalier, proteiner eller miljöfaktorer. Men mer oroande är att dessa interaktioner nu blir sårbara punkter under utmaningen med klimatförändringar, vilket får symbiotiska partners att separera.
Sikes betonade att han, Wang och Nanes Sarfati alla började från djursidan av det symbiotiska förhållandet men insåg att alger också reagerar på värdskador, vilket potentiellt kan väcka liknande frågor i andra system.
"Vi antar ofta att vi vet mycket, men vi är ödmjuka när vi tittar på olika arter," sa Wang. "De kan göra saker på helt oväntade sätt, vilket framhäver behovet av att studera fler organismer och blir möjligt med teknik."
Mer information: Dania Nanes Sarfati et al, Koordinerade sårsvar i en regenerativ djur-alg holobiont, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48366-2
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Stanford University
