Primitive Asgard-Zellen zeigen das Leben am Rande der Komplexität

Eine Eiche. Der symbiotische Pilz ist mit seinen Wurzeln verflochten. Ein Kardinal, der von einem seiner Zweige zwitschert. Unser bisher bester Hinweis auf ihren gemeinsamen Vorfahren könnte in Elektronenmikroskopbildern angekommen sein, die im Dezember enthüllt wurden.

"Sehen!" sagte der Mikrobiologe Christa Schleperstrahlte, als sie an der Universität Wien ein ausgedrucktes, hochaufgelöstes Bild vor ihre Webcam hielt. „Ist es nicht schön?“ Die Zellen in der mikroskopischen Aufnahme waren 500 Nanometer breite Kugeln, umgeben von einem Medusen-ähnlichen Heiligenschein aus Ranken. Ihr Team hatte den Organismus nicht nur zum ersten Mal isoliert und kultiviert, sondern auch gezeigt, dass seine schlagenden Filamente aus Aktin bestehen, dem Protein, das in fast allen komplexen Zellen oder Eukaryoten ein Skelettgerüst bildet.

Aber das war keine komplexe Zelle. Es sah uralter, ursprünglicher aus. Der Organismus zuerst veröffentlicht Natur, ist erst der zweite Vertreter einer Mikrobengruppe namens Asgard-Archaeen, die gezüchtet und im Detail untersucht wird. Es zu überreden, aus einem winzigen Löffel Meeresbodenschlamm zu wachsen, was sechs Jahre dauerte, war, als würde man eine Garderobe für eine temperamentvolle Berühmtheit herrichten. Der Organismus konnte nicht zentrifugiert, gerührt, Sauerstoff ausgesetzt, von ein paar anderen Mikroben getrennt werden, mit denen er sich anfreundet, oder schneller als in einem Gletschertempo wachsen.

Monatelang ist es gar nicht gewachsen. „Ich habe mir auch Sorgen um meine eigene Zukunft in der Wissenschaft gemacht“, sagte er Thiago Rodrigues-Oliveira, der als Postdoc in Schlepers Labor die Bemühungen leitete, die neue Art zu kultivieren, und seine eigene Karriere auf die Launen eines einzelnen, widerspenstigen Organismus setzte.

So entsetzlich schwierig sie auch zu handhaben sind, die Asgard-Archaeen gehören heute zu den begehrtesten Organismen in der Wissenschaft, und das aus gutem Grund. Für viele Evolutionsbiologen rechtfertigen ihre Entdeckung und nachfolgende Studien die Überarbeitung der Lehrbuchbilder des Baums des Lebens, um uns – und jedes andere aus eukaryotischen Zellen aufgebaute Geschöpf – als bloße Ableger der Asgard-Gruppe zu positionieren.

Untersuchungen von Asgard-Genomen haben unterdessen dringend benötigte Daten zur Frage geliefert, wie sich Eukaryoten entwickelt haben, ein epochales Ereignis in der Erdgeschichte, das umstrittene Debatten anregt. Die meisten bisherigen Studien mussten sich auf indirekte genetische Sonden der Asgard-Gruppe verlassen, die nicht die gleichen Möglichkeiten bieten wie das Anstoßen lebender Mikroben im Labor, dem Goldstandard in der Mikrobiologie seit den Tagen von Louis Pasteur.

Jetzt findet ein Zeitlupenrennen mit hohen Einsätzen statt, bei dem Labore auf der ganzen Welt versuchen, ihre eigenen Asgard-Kulturen zu züchten. Proben werden nicht geteilt; Wachstumsstrategien sind streng gehütete Geheimnisse. „Wir waren ehrlich geschockt“, als die Ergebnisse des Schleper-Teams bekannt wurden, schrieb er Hiroyuki Imachi, dem Mikrobiologen der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, der nach zermürbenden 12-jährigen Bemühungen die erste und derzeit einzige weitere Asgard-Archaea-Probe isolierte.

Sie sind nicht die Einzigen. Thijs Ettema, ein evolutionärer Mikrobiologe an der Universität Wageningen in den Niederlanden, deutete an, dass sein Labor auch Fortschritte bei der Anreicherung von Asgard-Kulturen gemacht habe, und er vermutete, dass mindestens 10 andere Labors ähnliche Projekte im Gange hätten. »Sie würden es mir nicht sagen«, sagte er.

Zusammensetzen eines Organismus

Der Weg, der zu Asgard-Archaeen führte, wurde vor einem Jahrzehnt zum ersten Mal aufgewärmt. Das ist, wenn ein Team mit Ettema, Schleper und Anja Spang, der jetzt evolutionärer Mikrobiologe an der Universität Amsterdam ist, machten sich auf die Suche nach einem evolutionären fehlenden Glied.

Biologen hatten lange Zeit genetische Daten verwendet, um alle bekannten Organismen in drei taxonomische Klassen zu sortieren: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Aber sie waren sich lautstark uneinig darüber, wie sie den Stammbaum zeichnen sollten, der diese Gruppen zusammenhalten sollte.

Karl Wöse, der einflussreiche amerikanische Mikrobiologe, der die Archaea Ende der 1970er Jahre entdeckte, vertrat die Auffassung, dass die drei Gruppen für sich allein stehen, jede von gleicher Würde und unterschiedliche „Domänen“ des Lebens darstellen. Nach Ansicht von Woese und seinen Verbündeten waren die Archaea und die Eukaryoten Schwestergruppen, die von einem älteren Vorfahren abstammen. Ihre Gegner argumentierten für einen „Zwei-Domänen“-Baum nur aus Bakterien und Archaeen und behaupteten, dass sich Eukaryoten direkt aus Archaeen entwickelt hätten.

Lager gebildet; Positionen verfestigten sich. „Alles, was mit unserem Ursprung zu tun hat, egal wie weit man in der Zeit zurückgeht, ist etwas, das den Menschen sehr am Herzen liegt“, sagte Spang.

Jahre bevor die neuen Organismen isoliert wurden, haben mikrobiologische Untersuchungen Hinweise auf eine unbekannte Gruppe von Archaea mit Genomen gefunden, die denen von Eukaryoten in Meeressedimenten auf der ganzen Welt verdächtig nahe kommen. Eine Studie, geleitet von Steffen Jörgensen, Schlepers Doktorand, zeigte, dass diese mysteriösen Mikroben im Meeresbodenschlamm gedeihen, der 2008 in der Nähe einer hydrothermalen Quelle im Atlantik aufgesammelt wurde. Das Team arbeitete mit 7.5 Gramm Schlamm aus denselben Proben und fing an, längere Sequenzen verirrter DNA herauszufischen.

Ihr Zwischenziel war die Verwendung einer 20 Jahre alten Technik namens Metagenomik, um genetische Sequenzen von jedem vorhandenen Organismus zu erhalten. „Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen durcheinandergewürfelten Stapel von Teilen aus Tausenden von Puzzles“, erklärte Spang. Zuerst finden Sie heraus, welche Teile zu jedem Puzzle gehören. Dann setzt du jedes Puzzle zusammen. Die Metagenomik kann auf diese Weise Genome zusammensetzen und arbeitet nur mit der DNA von Mikroben, die im Schlamm lauern.

Diese Analyse, veröffentlicht im Jahr 2015, brachte ein besonders provokantes Genom ans Licht. Der Organismus, zu dem es gehörte, schien das eukaryotenähnlichste Archäon zu sein, das jemals entdeckt wurde, mit Genen für mindestens 175 Proteine, die eukaryotischen Proteinen stark ähnelten. Die Forscher argumentierten, dass alle Eukaryoten von einem nahen Verwandten dieses Archäons abstammen könnten, eine Ansicht, die die Zwei-Domänen-Version des Baums des Lebens stark unterstützt.

Ettema nannte den Organismus Lokiarcheota. Der Name war eine Anspielung auf Loki's Castle, die hydrothermale Schlotformation in der Nähe, wo die Proben gesammelt worden waren. Aber das Papier von 2015 gab einen zusätzlichen Grund an. „Loki wurde beschrieben als ‚eine erstaunlich komplexe, verwirrende und ambivalente Figur, die der Katalysator unzähliger ungelöster wissenschaftlicher Kontroversen war'“, schrieben sie und zitierten einen Gelehrten der skandinavischen Literatur. Die Anspielung schien zu der Kontroverse um die Eukaryogenese, den Ursprung komplexer Zellen, zu passen.

Ihre Entdeckung geriet bald unter Beschuss von Befürwortern des Drei-Domänen-Modells. Gab es die Loki-Organismen wirklich? Oder hatte Spang die metagenomische Rätsellösung falsch gemacht und die Genome mehrerer verschiedener Mikroben zu einer chimären, imaginären Kreatur vermischt?

Aber bald entdeckten Ettema, Spang und viele andere Mitarbeiter genetische Sequenzen, die denen des Loki-Organismus in heißen Quellen, Grundwasserleitern und sowohl Salzwasser- als auch Süßwassersedimenten auf der ganzen Welt ähneln. Die Organismen waren überhaupt nicht selten. Sie waren einfach übersehen worden.

Wissenschaftler gaben den aufstrebenden Gruppen neue Namen, die sich an das Thema der nordischen Mythologie hielten – Odin, Thor, Hel, Heimdall – und bezeichneten das gesamte Reich als Asgard-Archaeen, nach der Heimat der nordischen Götter. Die zusätzlichen Genome schienen auch viele Eukaryoten-ähnliche Proteine ​​zu enthalten, was die Zwei-Domänen-Version des Baums des Lebens weiter stützte, in der unser eukaryotischer Zweig aus einem Asgard-Vorfahren hervorgegangen ist.

Trotzdem trug die Klärung, wo die Eukaryogenese im Stammbaum des Lebens stattfand, wenig dazu bei, die Debatten darüber zu lösen, wie sich dieser Prozess entfaltete. Biologen vermuteten, dass die Untersuchung lebender Exemplare von Asgard-Archaeen mehr Erkenntnisse liefern könnte, als sie aus der Betrachtung von DNA-Fragmenten gewinnen könnten. Im Jahr 2015, kurz nach der Entdeckung der Asgard-Gruppe, begann Schleper mit dem Versuch, einen Loki in Österreich anzubauen.

Was sie jedoch alle nicht wussten, vermehrte sich eine in Japan bereits sehr langsam in der Kultivierung.

Eine Mikrobe, die schwer zu bekommen ist

„Mein Vorname, Hiro, bedeutet ‚tolerant'“, erzählte Imachi Wie viel in einem Interview 2020. „Ich denke, tolerant und geduldig zu sein, ist – wie soll ich sagen – wichtig in meinem Leben.“

Im Jahr 2006 wurde vor der Küste Japans ein bemanntes Tauchboot namens the Shinkai 6500 bohrte einen Kern aus schwarzem, schwefelhaltigem Sediment aus dem Boden eines Grabens unter 2.5 Kilometern Ozean. Später in diesem Jahr brachte Imachi einen Teil dieses Sediments in Bioreaktoren, die eine Tiefseeumgebung simulieren könnten; Er hatte die Ausrüstung von Kläranlagen für Entwicklungsländer angepasst. Dann ließ er sich nieder, um zu sehen, was in diesem seltsamen Garten wachsen könnte.

Die Metagenomik hatte bereits gezeigt, dass die Gesamtheit der bekannten kultivierbaren Organismen nur einen Bruchteil der wahren mikrobiellen Vielfalt der Natur darstellt. Imachi, damals ein paar Jahre von der Graduiertenschule entfernt, hatte seine Karriere dem weltfremden Ziel gewidmet, alle Mikroben in die Kultivierung zu bringen. Um so etwas wie einen Loki für Laborstudien zu züchten, müssten jedoch mehrere entmutigende Hürden auf einmal genommen werden.

Erstens beherbergt jedes kleine Stück Meeresbodenschlamm Hunderte von Mikrobenarten. Um unerwünschte Bakterien zu entfernen, können Sie Antibiotika hinzufügen, die für Bakterien tödlich sind, aber von Archaeen toleriert werden. Aber die Antibiotika könnten auch symbiotische Bakterienarten töten, ohne die Ihr Ziel-Archaeon nicht leben kann. Daher ist es notwendig, mit verschiedenen Antibiotika in unterschiedlichen Konzentrationen zu experimentieren, um eine Behandlung zu finden, die nur angemessen tödlich ist.

Zweitens müssen Sie die richtige Mischung aus Nährstoffen, Medium und Sedimenten finden, damit Ihr Zielorganismus gedeihen kann. Schließlich müssen Sie warten und warten, bis das Ziel auf Konzentrationen angewachsen ist, die hoch genug sind, um sie unter einem Elektronenmikroskop zu finden oder damit zu experimentieren . Wenn es ihm gut geht, teilt sich der Organismus, den Imachi gepflegt hat, etwa alle zwei oder drei Wochen. Im Vergleich, Escherichia coli, das bakterielle Arbeitspferd in vielen Mikrobiologielaboren, verdoppelt sich brav in nur 20 Minuten.

Fünfeinhalb Jahre, nachdem ihre Proben in den Bioreaktor von Imachi gelangt waren, inokulierte das japanische Team alles, was darin wuchs, in kleine Glasröhrchen. Nach etwa einem Jahr bemerkten sie schwache Lebenszeichen in einer mit Antibiotika dosierten Tube. Dann begannen sie zu versuchen, ihr Ziel – von dem sie sahen, dass es Sequenzen hatte, die denen der Lokiarcheota-Gruppe entsprachen, die Spang 2015 veröffentlicht hatte – auf höhere Konzentrationen zu bringen.

Im Sommer 2019, kurz vor dem Hochladen ihres Manuskripts auf einen Preprint-Server, schickte Imachi Ettema einen Entwurf ihren Erfolg verkünden. Ettema erinnerte sich an seinen ersten Blick auf die Kreatur, die er jahrelang anhand genetischer Sequenzen untersucht hatte. „Es sah aus wie ein Organismus von einem anderen Planeten“, sagte er. „So etwas habe ich noch nie gesehen.“

Die elektronenmikroskopischen Bilder der japanischen Gruppe beendeten die Debatte darüber, ob der Loki-Organismus real oder ein Artefakt der Metagenomik war. Aber ihre Arbeit erbrachte auch zwei entscheidende neue Entdeckungen über die Loki-Archaeen: dass sich der Organismus mit winzigen Armen umgab und dass er in co-abhängigen Klumpen mit einem sulfatreduzierenden Bakterium und einer anderen Methan produzierenden Archaeenart zu gedeihen schien.

Unterdessen schrumpfte in Schlepers Labor in Österreich das ursprünglich sechsjährige Stipendium und es war keine neue Finanzierung in Sicht. Ein Postdoc, der mit der Züchtung des Organismus beauftragt war, hatte die Wissenschaft schließlich verlassen. Ein anderes Teammitglied, ein Techniker, hatte so viel pipettiert, dass sie wegen des Karpaltunnelsyndroms operiert werden mussten.

Im Herbst 2019 begann sich jedoch eine von Rodrigues-Oliveira begonnene Kultur eines Loki-Organismus zu entwickeln. Sie teilte sich in etwa der Hälfte der Zeit wie die japanische Sorte und erreichte eine 50- bis 100-mal höhere Dichte. Trotzdem könnte die Arbeit damit wie das Blättern in einem sein Wo ist Waldo? Buch: In 36 Stunden des Scannens von Proben durch ein Elektronenmikroskop, sagte Schleper, entdeckte das Team nur 17 einzelne Exemplare.

Im vergangenen Dezember stellten sie ihre Ergebnisse vor Natur. Auch dieser Loki hatte tentakelartige Filamente, von denen Schlepers Gruppe spekuliert, dass sie andere Organismen verwickeln und mit ihnen interagieren könnten. Sie zeigten dem japanischen Team, dass die Tentakel aus einem Protein, Lokiactin, bestehen, das dem Aktin sehr ähnlich ist, mit dem eukaryotische Zellen unterstützende Zytoskelette bilden. Das Lokiactin-Gen ist also nicht nur wie ein eukaryontisches Gen, sondern erfüllt auch eine eukaryontische Funktion.

Das Lokiactin-Gen taucht auch in jedem der etwa 172 Asgard-Genome auf, denen Wissenschaftler begegnet sind. Das impliziert, dass der Vorfahr der gesamten Gruppe – und vielleicht der Vorfahr aller Eukaryoten – ein ähnliches Protoskelett gehabt haben könnte.

Was also versucht Schlepers Labor jetzt mit dem Organismus anzufangen? "Alles!" sagte sie lachend.

Erreichen, um komplexe Zellen zu bilden

Innerhalb des heute dominierenden Zwei-Domänen-Bildes, zu dem die Asgard-Archaeen beitragen, geht die große Geschichte des Lebens auf diesem Planeten ungefähr so. Vor etwa 4 Milliarden Jahren teilte sich das Leben in zwei einzellige Zweige, die Archaeen und die Bakterien.

Genetische Beweise deuten darauf hin, dass sich die beiden Zweige 2 Milliarden Jahre später erneut kreuzten, als ein Archaeon – wahrscheinlich aus der Asgard-Gruppe – irgendwie ein Bakterium einnahm. Der Prozess domestiziert, was einst eine eigenständige, frei lebende Zelle war, und verwandelte sie in die Organellen, die Mitochondrien genannt werden und in eukaryotischen Zellen bestehen bleiben. Die Nachkommen dieser schicksalhaften Vereinigung verzweigten sich in andere einzellige Organismen wie Dinoflagellaten und später in vielzellige Kreaturen, die zu makroskopischer Größe heranwuchsen, Fossilien zurückließen und sowohl Meer als auch Land besiedelten.

Aber auch Theoretiker, die hinter diesem Narrativ stehen, gehören gespaltenen Lagern an. Einige argumentieren, dass der Gewinn von Mitochondrien das entscheidende Ereignis in der Eukaryogenese war. Andere bestehen darauf, dass die Mitochondrien spät in einem laufenden Übergang ankamen. "Vielleicht hatten Sie Asgard-Archaeen, die bereits ziemlich komplex und ziemlich eukaryote-ähnlich waren", sagte er Tom Williams, ein rechnergestützter Mikrobiologe an der University of Bristol. "Dann erwarben sie Mitochondrien, in einer extremen Form dieser Ansicht, als eine Art Sahnehäubchen."

Bisher, sagte er, habe die Komplexität der Asgards trotz ihres Mangels an Mitochondrien die Diskussion zu letzterer Ansicht geführt. Aber die Daten aus der Forschung zu Asgards haben die Eukaryogenese-Debatte auch auf andere Weise eingeschränkt.

Zum einen haben sich die beiden bisher kultivierten Asgards als schwer von einem Gefolge anderer Mikroben zu trennen erwiesen. Wie der japanische Loki scheinen es die österreichischen Organismen vorzuziehen – sogar darauf angewiesen zu sein –, eine zusätzliche Archaeonart und ein weiteres sulfatreduzierendes Bakterium in Kultur zu haben. Wissenschaftler, die an der Eukaryogenese arbeiten, wie z Reinigung López-García am Französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung, haben lange die Idee gefördert, dass Mitochondrien zuerst aus genau dieser Art herausgefangen wurden „syntropische“ Partnerschaft, wo mehrere Arten voneinander abhängig leben.

Der Befund, dass Lokis Aktin-Tentakel haben, verleiht einem Eukaryogenese-Szenario namens das Inside-Out-Modell, sagten Spang und Schleper. 2014 wurde der Zellbiologe Buzz Baum am University College London und seinem Cousin, dem Evolutionsbiologen David Baum von der University of Wisconsin, Madison, schlugen eine Idee vor, die sie bei Familienveranstaltungen herumgeschubst hatten: dass die ersten Eukaryoten geboren wurden, nachdem eine einfache Ahnenzelle Vorsprünge über ihre Zellwände hinaus verlängert hatte. Zuerst griffen diese Arme nach einem symbiotischen Bakterium. Schließlich schlossen sie sich um diesen Partner und verwandelten ihn in ein Proto-Mitochondrium. Sowohl die ursprüngliche archaeale Zelle als auch der gefangene Symbionte waren von einem Skelett umgeben, das von den Armen bereitgestellt wurde.

Als Asgard-Archaeen noch nur aus DNA-Fragmenten der Umwelt bekannt waren, hatte Baum die Teilnehmer einer Konferenz gebeten, zu zeichnen, wie die Organismen ihrer Meinung nach aussehen würden. Seine eigene Zeichnung auf der Grundlage der Inside-Out-Ideen, die voraussagte, dass sie hervorstehende Arme haben würden, überraschte die anderen versammelten Wissenschaftler. Damals, so Schleper, sei es ihm „so komisch vorgekommen, dass er diesen komischen Vorschlag macht“.

Eine Wettbewerbsatmosphäre

Die Ereignisse der Eukaryogenese wurden durch die dazwischenliegende Zeit und den Genaustausch so verschleiert, dass wir sie vielleicht nie mit Sicherheit wissen werden.

Die beiden derzeit in Kultur befindlichen Loki-Spezies zum Beispiel sind moderne Organismen, die sich von alten Archaea auf die gleiche Weise unterscheiden, wie sich ein lebender, singender Kardinal von dem angestammten Dinosaurier unterscheidet, aus dem er sich entwickelt hat. Die Loki-Gruppe ist nicht einmal die Untergruppe der Asgard-Archaeen, von der genetische Analysen nahelegen, dass sie am engsten mit Eukaryoten verwandt ist. (Basierend auf bekannten Asgard-Genomen, ein Preprint Gepostet von Ettema und seinen Kollegen im März argumentierten, dass der Vorfahre der Eukaryoten ein Heimdall-Archaeon war.)

Dennoch setzen Labore auf der ganzen Welt darauf, dass die Einbringung diverser Vertreter der Asgard-Gruppe in die Kultivierung eine Goldgrube an neuen Hinweisen auf ihren – und unseren – gemeinsamen Vorfahren liefern wird. Schleper versucht es. Ettema auch. Dasselbe gilt für Baum, der sagte, sein Labor werde bald einen neuen Kollegen begrüßen, der Fläschchen mit Archaeen von Gruppen wie Heimdall und Odin mitbringen werde. So auch Imachi, der es ablehnte, mit ihm zu sprechen Wie viel für diese Geschichte.

„Wenn ich jetzt von Ihnen interviewt würde, würde ich höchstwahrscheinlich über neue Daten sprechen, die noch nicht veröffentlicht wurden“, erklärte er in einer E-Mail und fügte hinzu, dass seine Gruppe die Bemühungen des Schleper-Teams begrüßte. "Es ist jetzt sehr wettbewerbsfähig (obwohl ich diese Art von Wettbewerb nicht mag)", fügte er hinzu.

Andere Quellen beklagten auch die übermäßig unter Druck stehende Atmosphäre. „Es wäre schön, wenn das Feld offener für das Teilen wäre“, sagte Spang. Der Druck lastet am schwersten auf den jungen Wissenschaftlern, die dazu neigen, die risikoreichen, hochlohnenden Kultivierungsprojekte zu übernehmen. Erfolg kann ein Leuchten hinzufügen Natur Papier zu ihrem Lebenslauf. Aber Jahre mit einem gescheiterten Versuch zu verschwenden, kann ihre Chancen schmälern, jemals einen Job in der Wissenschaft zu bekommen. „Das ist wirklich eine unfaire Situation“, sagte Schleper.

Vorerst geht das Rennen aber weiter. Als die Cousins ​​von Baum 2014 ihre Ideen zur Eukaryogenese veröffentlichten, gingen sie davon aus, sagte Buzz Baum, dass wir wahrscheinlich nie die Wahrheit erfahren würden. Dann tauchten plötzlich die Asgards auf und boten neue Einblicke in die Übergangsstadien, die das Leben von der einzelligen Einfachheit in den Overdrive brachten.

„Bevor wir diesen wunderschönen Planeten zerstören, sollten wir uns ein bisschen umsehen, denn es gibt coole Dinge auf dem Planeten Erde, von denen wir nichts wissen. Vielleicht gibt es Dinge, die lebende Fossilien sind – Zustände dazwischen“, sagte er. „Vielleicht ist es an meinem Duschvorhang.“