Endosymbios, den intima och långvariga relationen där en organism lever inuti en annan, är en hörnsten i livet som vi känner det, och en nyckel till uppkomsten av komplext liv på jorden. Många av mysterierna kring endosymbios är svåra att tackla med enbart empiriska metoder.
I en nyligen publicerad uppsats publicerad i PLOS Biology , beskriver ett team av forskare från Umeå universitet hur matematiska modeller kan främja endosymbiosforskning.
Endosymbionter finns överallt:Inom våra celler genererar mitokondrier det mesta av vår energi, växter är beroende av kloroplaster för fotosyntes, och många insekter kan inte föröka sig utan deras endosymbionter. Detta är dock bara toppen av isberget när det kommer till endosymbioser.
"Endosymbiotiska relationer är otroligt mångfaldiga och komplexa. Ny forskning har till exempel visat att endosymbionter kan avgöra om embryon framgångsrikt kan bildas, och till och med styra embryonal utveckling", säger Lucas Santana Souza, postdoktor vid Umeå universitet och medförfattare till artikel i PLOS Biology .
Trots deras allestädes närvarande kan endosymbioser vara svåra att studera.
"Tänk på ursprunget till mitokondrierna i våra celler. Det brukade vara en separat organism, men genom en endosymbios som hände för hundratals miljoner år sedan blev den en avgörande del av allt komplext liv. Men vi kan inte studera denna urgamla och sällsynt händelse genom att reproducera den i labbet eller gå tillbaka i tiden – vi behöver andra sätt och matematiska modeller är ett utmärkt verktyg", säger Eric Libby, docent vid institutionen för matematik och matematisk statistik.
Matematiska modeller kan hjälpa oss att förstå hur olika faktorer påverkar interaktionerna mellan endosymbionter och deras värdar. I uppsatsen visar författarna hur dessa modeller kan generera idéer och komplettera verklig forskning. De pekar också på viktiga frågor för vidare utredning.
Ett sådant exempel är kopplat till koraller och deras endosymbionter, av särskild relevans för närvarande eftersom korallblekningshändelser ökar över hela världen på grund av ökade värmeböljor. Vid korallblekning driver korallen ut sina endosymbionter och förlorar sin förmåga att generera mat, vilket kan leda till dess död.
Intressant nog kan koraller byta sina endosymbionter till sådana som förbättrar deras förmåga att stå emot värmeböljor. Detta är ett av de forskningsområden som studien medförfattare Adriano Bonforti, postdoktor vid Umeå universitet, är mest intresserad av.
"Pusslet är att förstå när koraller bör modifiera sitt endosymbiotiska samhälle så att en typ av endosymbiont blir dominerande över de andra, och därigenom förändra korallens svar på stresseffektorer. Matematiska modeller kan föreslå troliga skäl till när och hur koraller bör byta. Resultaten av dessa teoretiska tillvägagångssätt kan sedan hjälpa till att vägleda framtida experimentell forskning", säger han.
Författarna talar också för ökat samarbete mellan endosymbiosforskare. De drar paralleller mellan endosymbiotiska relationer och interaktionen mellan matematiska modellerare och experimentalister. Båda har olika tillvägagångssätt och bakgrund, men resultatet av deras samarbete kan vara oerhört fruktbart, enligt dem.
"Tänk på modellbyggare som fördelaktiga partners, hämtar inspiration och ställer spännande frågor från de rika empiriska upptäckterna. I detta sammanhang bidrar modellbyggare genom att förenkla komplexa koncept, avslöja grundläggande processer och öppna nya vägar för utforskning. Med denna uppsats hoppas vi kunna bygga en starkare bro mellan båda områdena och för att ange fruktbara riktningar för endosymbiotisk forskning, säger Lucas Santana Souza.
Mer information: Lucas Santana Souza et al, Modeling endosymbioses:Insights and hypotheses from theoretical approaches, PLOS Biology (2024). DOI:10.1371/journal.pbio.3002583
Journalinformation: PLoS-biologi
Tillhandahålls av Umeå universitet
