Pasożyt wystrzeliwuje rurkę i przeciska przez nią własne jądro

Rurka zwinięta w zarodniku

Mikrosporydia to jednokomórkowe, bezwzględnie wewnątrzkomórkowe pasożyty. Nie tworzą grzybni ani owocników, a całe ich stadium przenoszące zakażenie mieści się w zarodniku o długości kilku mikrometrów. Ich miejsce w drzewie życia wciąż bywa przedmiotem sporu. Analiza filogenomiczna z 2012 roku, oparta na tysiącach drzew genowych i na 53 zestawionych genach, stawia mikrosporydia jako grupę siostrzaną wszystkich pozostałych zsekwencjonowanych grzybów — a jej autorzy zaznaczają wprost, że przy ówczesnym doborze taksonów nie mogli sprawdzić konkurencyjnej hipotezy wiążącej mikrosporydia ze skoczkowcem Rozella. To, czy leżą już wewnątrz królestwa grzybów, czy tuż obok niego, nie jest więc kwestią zamkniętą.

18 września 2020 roku w „PLOS Pathogens” zespół Pattany Jaroenlaka z Instytutu Skirballa na Uniwersytecie Nowojorskim opublikował trójwymiarową rekonstrukcję aparatu inwazyjnego tych pasożytów. Zarodniki Anncaliia algerae cięto seryjnie co 50 nanometrów i obrazowano skaningową mikroskopią elektronową bloku seryjnego. Zwinięty odcinek rurki biegunowej liczył średnio siedem zwojów — wcześniejsze dane mówiły o ośmiu do jedenastu — i w każdym zbadanym zarodniku układał się w helisę prawoskrętną, nachyloną względem osi przód–tył. Mimo że na obrazie jest najbardziej rzucającym się w oczy elementem, zajmuje tylko około 3,5 procent objętości zarodnika. Sam zarodnik A. algerae ma 3,9 ± 0,4 μm długości i objętość 8,8 ± 1,4 μm³, a jego zewnętrzna warstwa ściany jest równomiernie gruba na 0,16 ± 0,03 μm. Przy przednim biegunie siedzi parasolowaty dysk kotwiczący, podścielający najcieńszy fragment ściany; to właśnie tam, jak przyjmują autorzy, zaczyna się wystrzał.

Trzy fazy, zmierzone klatka po klatce

Kiełkowanie wywoływano chemicznie: zarodniki A. algerae inkubowano w 30 °C w buforze glicyna–NaOH o pH 9,0 ze 100 mM KCl, a oba gatunki Encephalitozoon w 37 °C w buforze z pięcioprocentowym nadtlenkiem wodoru i pH 9,5. Wystrzał filmowano kamerą sCMOS pracującą z częstością od 14 do 50 klatek na sekundę, po dwadzieścia zdarzeń na gatunek.

Nagrania rozpadają się na trzy fazy: wydłużanie rurki, fazę statyczną, w której długość już się nie zmienia, i wyrzucenie ładunku na dalszym końcu. Maksymalna prędkość wysuwania — wartość szczytowa, nie średnia dla całego ruchu — wyniosła 235 ± 61 μm/s u A. algerae, 336 ± 142 μm/s u E. hellem i 290 ± 38 μm/s u E. intestinalis. Maksymalne przyspieszenia to odpowiednio 1503 ± 1082, 5219 ± 2521 oraz 5045 ± 2242 μm/s². Czas potrzebny na osiągnięcie 90 procent pełnego wysunięcia różni gatunki jeszcze wyraźniej: 160 ± 20 ms u E. intestinalis, 290 ± 200 ms u E. hellem i 830 ± 170 ms u A. algerae. W fazie drugiej rurka stoi wyprężona na średniej długości 101 μm u A. algerae, 53 μm u E. hellem i 36 μm u E. intestinalis. Całość, od początku wystrzału do wyrzucenia ładunku, zamyka się poniżej 500 ms u obu gatunków Encephalitozoon, ale u A. algerae trwa około 1,6 sekundy — „ułamek sekundy” nie jest więc opisem pasującym do wszystkich trzech.

Jądro przeciśnięte przez sto nanometrów

A. algerae ma dwa jądra komórkowe, każde o średnicy około 0,7 μm. Światło rurki to około 100 nm, przy czym ta liczba nie pochodzi z omawianej pracy: autorzy przejmują ją z wcześniejszych obrazów barwienia negatywowego. Różnicę skali sami opisują ostrożnie, jako co najmniej siedmiokrotną. Obrazowanie żywych komórek pokazało, że jądra rzeczywiście przechodzą tą drogą, deformując się drastycznie — ich współczynnik kształtu wynosi 0,11 ± 0,04 wewnątrz rurki i 0,87 ± 0,07 po wyjściu, czyli po wszystkim wracają niemal do kulistości. Prędkość przemieszczania dochodzi do 270 ± 115 μm/s. Nie jest to jednak gładki strzał: we wszystkich siedmiu nagranych filmach jądra zatrzymywały się wewnątrz rurki w trakcie przechodzenia.

Czego te filmy nie pokazują

Po pierwsze, nie był to pierwszy pomiar prędkości wystrzału. Autorzy sami piszą, że ich wartość dla A. algerae jest mniej więcej dwukrotnie wyższa od podanej dla tego gatunku przez Frixionego i współpracowników w 1992 roku, i wiążą różnicę z pochodzeniem zarodników oraz z lepszą rozdzielczością czasową. Nowe jest co innego: trójwymiarowa architektura rurki w nienaruszonym zarodniku i zarejestrowanie całego kiełkowania trzech gatunków naraz.

Po drugie, nikt tu nie sfilmował przebicia komórki żywiciela. Kiełkowanie wywoływano w buforze, a abstrakt mówi ostrożnie, że rurka jest uważana za przebijającą komórkę gospodarza; we wstępie autorzy zostawiają otwarte obie możliwości — że wysunięta rurka przebija błonę komórki docelowej albo że tylko się o nią zaczepia i kotwiczy przy niej zarodnik. Samo słowo „harpun” pochodzi z ich abstraktu i jest metaforą, a nie opisem budowy. Rurka jest pusta w środku, a to, że ładunek rusza dopiero przy mniej więcej połowie wysunięcia, autorzy uznają za zgodne z modelem, w którym rurka wynicowuje się na zewnątrz. Wystrzelony grot zachowuje się inaczej.

Po trzecie, liczby dotyczą trzech gatunków zarażających człowieka — istotnych przede wszystkim u osób z obniżoną odpornością — po dwadzieścia zdarzeń na gatunek, i są wartościami szczytowymi. Kiełkowanie bywało zresztą niepełne u wszystkich trzech: rurka nie wysuwała się do końca albo wysuwała się bez ładunku. Popularne „dwudziestokrotnie dłuższa niż zarodnik” to zaokrąglenie z abstraktu; z własnych liczb pracy wychodzi około dwudziestosześciokrotność u A. algerae i około dziewiętnastokrotność u E. hellem. I wreszcie: praca dotyczy mechaniki wystrzału, a nie ryzyka klinicznego, i nie mówi nic o grzybach zbieranych w lesie.

Gdzie to sprawdzić samemu

Artykuł jest otwarty na licencji CC BY, a filmy z kiełkowania dołączono do materiałów uzupełniających — liczby z rycin czwartej i piątej można porównać z tym, co widać na nagraniach, klatka po klatce. Historia zresztą się nie skończyła: w 2024 roku krioelektronowa tomografia rurki Vairimorpha necatrix pokazała rurki wypełnione ładunkiem, z rybosomami ułożonymi w spiralę wzdłuż wnętrza, oraz rurki opróżnione — węższe i otoczone wyraźnie grubszą warstwą białkową.

W tym katalogu jest już wpis o dziale zarodnikowym Pilobolus i jego przyspieszeniu rzędu 180 000 g. Kuszące jest zestawienie obu liczb w jeden ranking, ale byłby to błąd: tam zarodnik leci w powietrze wyrzucony ciśnieniem turgorowym, tu rurka wysuwa się w cieczy, a oba zjawiska zmierzono zupełnie innymi metodami. Warto za to zauważyć, do czego sami autorzy przyrównują swoje wyniki. Białka motoryczne przesuwają organelle z prędkością rzędu jednego mikrometra na sekundę, pływające zoospory skoczkowców osiągają około 104 μm/s, a rurka biegunowa przekracza 300 μm/s. Wszystko to dzieje się w skali, której żadne oko nie rozdzieli bez mikroskopu.