Primitiiviset Asgard-solut näyttävät elämää monimutkaisuuden partaalla

Tammi. Symbioottinen sieni kietoutui juuriinsa. Kardinaali visertää yhdestä haarastaan. Paras vihjemme heidän yhteisestä esi-isästämme saattoi saapua elektronimikroskooppikuvissa, jotka paljastettiin joulukuussa.

"Katso!" sanoi mikrobiologi Christa Schleper, säteili, kun hän piti painettua korkearesoluutioista kuvaa verkkokameransa edessä Wienin yliopistossa. "Eikö se ole kaunista?" Mikrokuvan solut olivat 500 nanometrin leveitä palloja, joita ympäröi Medusa-tyyppinen lonkero. Hänen tiiminsä ei vain eristänyt ja viljellyt organismia ensimmäistä kertaa, vaan myös osoittanut, että sen heiluvat filamentit koostuivat aktiinista, proteiinista, joka muodostaa luuston rungon lähes kaikissa monimutkaisissa soluissa tai eukaryooteissa.

Mutta tämä ei ollut monimutkainen solu. Se näytti enemmän esi-isiltä, ​​ikimuistoiselta. Elimistö ensin julkaistu luonto, on vasta toinen edustaja Asgard archaeaksi kutsutusta mikrobiryhmästä, jota on kasvatettu ja tutkittu yksityiskohtaisesti. Sen houkutteleminen kasvamaan pienestä lusikallisesta merenpohjalieteestä, joka kesti kuusi vuotta, oli kuin pukuhuoneen valmistaminen temperamenttiselle julkkikselle. Organismia ei voitu sentrifugoida, sekoittaa, altistaa hapelle, erottaa muutamista muista mikrobeista, joiden kanssa se seurustelee, tai ryntätä kasvamaan jääkauden vauhtia nopeammin.

Kuukausiin se ei edes kasvanut ollenkaan. "Olin huolissani myös omasta tulevaisuudestani tieteessä", sanoi Thiago Rodrigues-Oliveira, joka johti yritystä viljellä uutta lajia postdocina Schleperin laboratoriossa, panostaen oman uransa yksittäisen, vastahakoisen organismin oikkuihin.

Vaikka Asgardin arkeat ovatkin tuskallisen vaikeita käsitellä niitä, ne ovat nyt tieteen halutuimpia organismeja, ja hyvästä syystä. Monien evoluutiobiologien mielestä heidän löytönsä ja myöhemmät tutkimuksensa oikeuttavat elämänpuun oppikirjakuvien tarkistamisen, jotta meidät – ja kaikki muut eukaryoottisoluista rakennetut olennot – voitaisiin sijoittaa pelkkiksi Asgard-ryhmän jälkeläisiksi.

Asgardin genomien tutkimukset ovat puolestaan ​​tuoneet kipeästi tarvittavia tietoja kysymykseen siitä, miten eukaryootit kehittyivät, mikä on käänteentekevä tapahtuma maapallon historiassa, joka herättää kiistanalaisia ​​keskusteluja. Useimmat tähän mennessä tehdyt tutkimukset ovat joutuneet tukeutumaan Asgard-ryhmän epäsuoriin geneettisiin koettimiin, jotka eivät tarjoa samoja mahdollisuuksia kuin elävien mikrobien tuottaminen laboratorioon, joka on mikrobiologian kultainen standardi Louis Pasteurin päivistä lähtien.

Nyt on käynnissä korkean panoksen hidastettu kilpailu, kun laboratoriot ympäri maailmaa yrittävät kasvattaa omia Asgard-kulttuurejaan. Näytteitä ei jaeta; kasvustrategiat ovat tiukasti varjeltuja salaisuuksia. "Olimme rehellisesti järkyttyneitä", kun Schleper-joukkueen tulokset julkistettiin, kirjoitti Hiroyuki ImachiJapanin meri-maatieteen ja -teknologian viraston mikrobiologi, joka 12 vuoden uuvuttavan työn jälkeen eristi ensimmäisen ja tällä hetkellä ainoan muun Asgardin arkeanäytteen.

He eivät ole ainoita. Thijs Ettema, evoluutiomikrobiologi Wageningenin yliopistosta Hollannista, vihjasi, että hänen laboratorionsa oli edistynyt myös Asgard-kulttuurien rikastamisessa, ja hän arveli, että ainakin 10 muussa laboratoriossa oli samanlaisia ​​projekteja käynnissä. "He eivät kertoisi minulle", hän sanoi.

Organismin yhdistäminen

Asgardin arkeaan johtanut polku lämpeni ensimmäisen kerran kymmenen vuotta sitten. Silloin tiimiin kuuluivat Ettema, Schleper ja Anja Spang, joka on nykyään evoluution mikrobiologi Amsterdamin yliopistossa, päätti löytää evoluution puuttuvan lenkin, jonka he toivoivat.

Biologit olivat pitkään käyttäneet geneettistä tietoa lajitellakseen kaikki tunnetut organismit kolmeen taksonomiseen laatikkoon: bakteerit, arkeat ja eukaryootit. Mutta he olivat kiihkeästi eri mieltä siitä, kuinka piirretään sukupuu, jonka pitäisi sitoa nämä ryhmät yhteen.

Carl Woese, vaikutusvaltainen amerikkalainen mikrobiologi, joka löysi arkean 1970-luvun lopulla, katsoi, että nämä kolme ryhmää seisoivat omillaan, kukin yhtä arvokkaasti edustaen erilaisia ​​elämän "alueita". Woesen ja hänen liittolaistensa mielestä arkeat ja eukaryootit olivat sisarryhmiä, jotka polveutuivat vanhemmasta esi-isästä. Heidän vastustajansa väittivät, että bakteerit ja arkeat koostuivat "kaksialueesta" ja väittivät, että eukaryootit olivat kehittyneet suoraan arkeasta.

Perustettu leirit; asemat vakiintuivat. "Kaikki, mikä liittyy alkuperäämme, riippumatta siitä, kuinka pitkälle ajassa mennään taaksepäin, on asia, josta ihmiset välittävät syvästi", Spang sanoi.

Vuosia ennen kuin uudet organismit eristettiin, mikrobitutkimukset saivat vihjeitä tuntemattomasta arkearyhmästä, jonka genomit olivat epäilyttävän lähellä eukaryootteja meren sedimenteissä ympäri maailmaa. Yksi tutkimus, johti Steffen Jørgensen, Schleperin tohtoriopiskelija, osoitti, että nämä salaperäiset mikrobit viihtyivät merenpohjassa Atlantin valtameren hydrotermisen aukon läheltä vuonna 2008. Työskennellyt 7.5 gramman mudan kanssa näistä samoista näytteistä, tiimi alkoi kalastaa pidempiä sekvenssejä haja-DNA:ta.

Heidän välitavoitteensa oli käyttää 20 vuotta vanhaa tekniikkaa nimeltä metagenomiikka geneettisten sekvenssien saamiseksi jokaisesta läsnä olevasta organismista. Kuvittele, että sinulla on sekaisin kasa palasia tuhansista palapelistä, Spang selitti. Ensin sinun tulee selvittää, mitkä palaset kuuluvat kuhunkin palapeliin. Sitten kokoat jokaisen palapelin. Metagenomiikka voi koota genomeja tällä tavalla, toimien vain mudassa piilevien mikrobien DNA:sta.

Tuo analyysi, julkaistiin vuonna 2015, paljasti yhden erityisen provosoivan genomin. Organismi, johon se kuului, näytti olevan eukaryootin kaltaisin arkeoni, joka on koskaan löydetty, ja sen geenit ainakin 175 proteiinille, jotka muistuttivat voimakkaasti eukaryoottisia proteiineja. Tutkijat väittivät, että kaikki eukaryootit saattoivat syntyä juuri tuon arkeonin lähisukulaisesta, mikä tukee vahvasti elämänpuun kaksialueversiota.

Ettema antoi organismille nimen Lokiarcheota. Nimi viittasi Lokin linnaan, hydrotermiseen muodostelmaan, joka on lähellä näytteenottopaikkaa. Mutta vuoden 2015 paperi antoi lisäsyyn. "Lokia on kuvattu "järkevän monimutkaiseksi, hämmentäväksi ja ambivalentiksi hahmoksi, joka on ollut lukemattomien ratkaisemattomien tieteellisten kiistojen katalysaattori", he kirjoittivat lainaten skandinaavisen kirjallisuuden tutkijaa. Viittaus näytti sopivan eukaryogeneesiä, monimutkaisten solujen alkuperää, ympäröivään kiistaan.

Heidän löytönsä joutui pian kolmen verkkoalueen mallin kannattajien arvostelun kohteeksi. Oliko Loki-organismeja todella olemassa? Vai oliko Spang tehnyt metagenomisen pulmanratkaisun väärin ja sekoittanut useiden eri mikrobien genomit yhdeksi kimeeriseksi, kuvitteelliseksi olennoksi?

Mutta pian Ettema, Spang ja monet muut yhteistyökumppanit paljastivat Loki-organismin kaltaisia ​​geneettisiä sekvenssejä kuumista lähteistä, pohjavesikerroksista ja sekä suolaisen että makean veden sedimenteistä ympäri maailmaa. Organismit eivät olleet lainkaan harvinaisia. Ne oli vain jätetty huomiotta.

Tiedemiehet antoivat nouseville ryhmille uusia nimiä, jotka säilyivät pohjoismaisen mytologian teemalla – Odin, Thor, Hel, Heimdall – ja viittasivat koko maailmaan Asgardin arkeaksi pohjoismaisten jumalien kodin mukaan. Ylimääräiset genomit näyttivät sisältävän myös monia eukaryootin kaltaisia ​​proteiineja, jotka tukivat edelleen elämänpuun kaksidomeeniversiota, jossa eukaryoottinen haaramme itäytti Asgardin esi-isästä.

Silti sen selvittäminen, missä eukaryogeneesi tapahtui elämän sukupuussa, ei juurikaan ratkaissut keskustelua siitä, miten tämä prosessi eteni. Biologit epäilivät, että Asgardin arkeiden elävien esimerkkien tutkiminen saattaisi antaa enemmän oivalluksia kuin mitä he voisivat saada DNA-fragmenteista tarkasteltaessa. Vuonna 2015, pian Asgard-ryhmän löytämisen jälkeen, Schleper alkoi yrittää kasvattaa Lokia Itävallassa.

Heidän kaikkien tietämättä yksi oli kuitenkin jo lisääntymässä, aina niin hitaasti, viljelyssä Japanissa.

Mikrobi, jota on vaikea saada

"Etunimeni Hiro tarkoittaa "suvaitsevaista", Imachi kertoi Quanta vuoden 2020 haastattelussa. "Luulen, että [olla] suvaitsevainen ja kärsivällinen on - kuinka sen sanoisin - tärkeää elämässäni."

Vuonna 2006 Japanin rannikolla, miehistöinen sukellusvene nimeltä Shinkai 6500 porasi ytimen mustaa, rikkipitoista sedimenttiä 2.5 kilometrin valtameren alla olevan kaivannoksen pohjasta. Myöhemmin samana vuonna Imachi laittoi osan tästä sedimentistä bioreaktoreihin, jotka voisivat simuloida syvänmeren ympäristöä; hän oli mukauttanut jätevedenkäsittelyjärjestelmien laitteet kehitysmaita varten. Sitten hän asettui katsomaan, mitä tämä outo puutarha voisi kasvaa.

Metagenomiikka oli jo paljastanut, että kaikki tunnetut viljeltävät organismit edustivat vain murto-osaa luonnon todellisesta mikrobien monimuotoisuudesta. Imachi, joka oli tuolloin valmistunut muutama vuosi, oli omistanut uransa quixoottiselle tavoitteelle tuoda kaikki mikrobit viljelyyn. Lokin kaltaisen lokin kasvattaminen laboratoriotutkimuksia varten vaatisi kuitenkin useiden pelottavien esteiden poistamista kerralla.

Ensinnäkin mikä tahansa pieni pala merenpohjan mutaa isännöi satoja mikrobilajeja. Poistaaksesi ei-toivotut bakteerit, voit lisätä antibiootteja, jotka ovat tappavia bakteereille, mutta joita arkeat sietävät. Mutta antibiootit voivat myös tappaa symbioottisia bakteerilajeja, joita kohdearkeoni ei voi elää ilman. Joten on välttämätöntä kokeilla erilaisia ​​antibiootteja eri pitoisuuksilla löytääkseen hoidon, joka on vain sopivasti tappava.

Toiseksi sinun on löydettävä oikea sekoitus ravinteita, väliainetta ja sedimenttejä, jotta kohde-organismi voi kukoistaa. Lopuksi sinun on odotettava ja odotettava, että kohde kasvaa riittävän korkeiksi pitoisuuksiksi, jotta se voidaan löytää elektronimikroskoopin alla tai kokeilla . Kun se on onnellinen, organismi, jota Imachi hoiti, jakautuu noin kerran kahdessa tai kolmessa viikossa. Verrattuna, Escherichia coli, bakteerien työhevonen monissa mikrobiologian laboratorioissa, kaksinkertaistaa itsensä vain 20 minuutissa.

Viisi ja puoli vuotta sen jälkeen, kun heidän näytteensä menivät Imachin bioreaktoriin, japanilainen ryhmä ympätti sisällä kasvavan pieniksi lasiputkiksi. Noin vuoden kuluttua he huomasivat heikkoja elonmerkkejä yhdessä antibioottiputkessa. Sitten he alkoivat yrittää työntää tavoitettaan - jonka he näkivät sekvenssien vastaavan Lokiarcheota-ryhmän Spangin vuonna 2015 julkaisemia sarjoja - korkeampiin pitoisuuksiin.

Kesällä 2019, vähän ennen käsikirjoituksensa lataamista preprint-palvelimelle, Imachi lähetti Ettemalle paperiluonnoksen ilmoittaa menestyksestään. Ettema muisteli ensimmäisen vilauksensa olentoon, jota hän oli tutkinut geneettisten sekvenssien kautta vuosia. "Se näytti organismilta toiselta planeetalta", hän sanoi. "En ole koskaan nähnyt mitään sellaista."

Japanilaisen ryhmän elektronimikroskoopin kuvat päättivät keskustelun siitä, oliko Loki-organismi todellinen vai metagenomiikan artefakti. Mutta heidän työnsä perusti myös kaksi ratkaisevaa uutta löytöä Loki-arkeasta: että organismi ympäröi itsensä pienillä käsivarsilla ja että se näytti viihtyvän riippuvaisissa rypäleissä sulfaattia pelkistävän bakteerin ja toisen metaania tuottavan arkeonlajin kanssa.

Sillä välin Schleperin laboratoriossa Itävallassa alkuperäinen kuuden vuoden apuraha oli hiipumassa, eikä uutta rahoitusta ollut näköpiirissä. Yksi organismin kasvattamiseen osoitettu postdoc oli päätynyt jättämään tieteen. Toinen tiimin jäsen, teknikko, oli pipetoinut niin paljon, että he tarvitsivat leikkausta rannekanavaoireyhtymän vuoksi.

Syksyllä 2019 Rodrigues-Oliveiran aloittama Loki-organismin viljely alkoi kuitenkin kehittyä. Se jakautui noin puoleen ajasta japanilaiseen kantaan verrattuna ja saavutti 50-100 kertaa suuremman tiheyden. Siitä huolimatta työskentely sen kanssa voi silti olla kuin selaamista Missä Waldo on? kirja: 36 tunnin aikana, kun näytteitä skannattiin elektronimikroskoopilla, Schleper sanoi, että ryhmä havaitsi vain 17 yksittäistä näytettä.

Viime joulukuussa he debytoivat tuloksensa luonto. Myös tällä Lokilla oli lonkeromaisia ​​filamentteja, jotka Schleperin ryhmä arvelee saavan sotkeutua muihin organismeihin ja olla vuorovaikutuksessa niiden kanssa. Tutkiessaan japanilaista ryhmää he osoittivat, että lonkerot tehtiin proteiinista, Lokiactinista, joka muistuttaa läheisesti aktiinia, jolla eukaryoottisolut rakentavat tukevia sytoskeletoneja. Joten ei vain Lokiactin-geeni ole kuin eukaryoottigeeni, vaan se suorittaa eukaryootin kaltaista toimintaa.

Lokiactin-geeni esiintyy myös jokaisessa noin 172:sta Asgardin genomista, jotka tutkijat ovat kohdanneet. Tämä tarkoittaa, että koko ryhmän esi-isällä - ja ehkä kaikkien eukaryoottien esi-isällä - saattoi olla samanlainen proto-luuranko.

Joten mitä Schleperin laboratorio yrittää tehdä organismilla nyt? "Kaikki!" hän sanoi nauraen.

Muodosta monimutkaisia ​​soluja

Nykyään hallitsevassa kahden alueen kuvassa, johon Asgardin arkeat myötävaikuttavat, suuri tarina elämästä tällä planeetalla menee suunnilleen näin. Noin 4 miljardia vuotta sitten elämä haarautui kahteen yksisoluiseen haaraan, arkeaan ja bakteereihin.

Geneettiset todisteet viittaavat siihen, että nämä kaksi haaraa risteytyivät uudelleen 2 miljardia vuotta myöhemmin, kun arkeoni - todennäköisesti Asgard-ryhmästä - nielaisi jotenkin bakteerin. Prosessi kesytti aikoinaan erillisen, vapaasti elävän solun ja muutti sen mitokondrioiksi kutsutuiksi organelleiksi, jotka säilyvät eukaryoottisoluissa. Tuon kohtalokkaan liiton jälkeläiset haarautuivat muiksi yksisoluisiksi organismeiksi, kuten dinoflagellaateiksi, ja myöhemmin monisoluisiksi olennoiksi, jotka kasvoivat makroskooppisen kokoisiksi, jättivät jälkeensä fossiileja ja kolonisoivat sekä meren että maan.

Mutta jopa tämän kertomuksen takana seisovat teoreetikot kuuluvat jakautuneisiin leireihin. Jotkut väittävät, että mitokondrioiden saaminen oli ratkaiseva tapahtuma eukaryogeneesissä. Toiset väittävät, että mitokondriot saapuivat myöhään meneillään olevassa siirtymävaiheessa. "Sinulla saattoi olla Asgardin arkeeja, jotka olivat jo melko monimutkaisia ​​ja melko eukaryootin kaltaisia", sanoi. Tom Williams, laskennallinen mikrobiologi Bristolin yliopistosta. "Sitten he hankkivat mitokondrioita tämän näkemyksen äärimmäisessä muodossa eräänlaisena kirsteenä kakun päällä."

Toistaiseksi hän sanoi, että Asgardien monimutkaisuus huolimatta heidän mitokondrioiden puutteesta on kallistanut keskustelua jälkimmäiseen näkemykseen. Mutta Asgardeja koskevista tutkimuksista saadut tiedot ovat rajoittaneet eukaryogeneesikeskustelua myös muilla tavoilla.

Ensinnäkin molemmat tähän mennessä viljellyt Asgardit ovat osoittautuneet vaikeaksi erottaa muista mikrobeista. Kuten japanilainen lokki, itävaltalaiset organismit näyttävät pitävän mieluummin - jopa riippuvaisina - siitä, että niiden kanssa viljellään ylimääräinen arkeonlaji ja toinen sulfaattia vähentävä bakteeri. Eukaryogeneesin parissa työskentelevät tutkijat, kuten Purificación López-García Ranskan kansallisessa tieteellisessä tutkimuskeskuksessa ovat pitkään edistäneet ajatusta, että mitokondriot vangittiin ensimmäisen kerran juuri tällaisesta "syntrooppinen" kumppanuus, jossa useat lajit elävät toisistaan ​​riippuvaisesti.

Havainto, että Lokilla on aktiinilonkeroita, lisää uskottavuutta eukaryogeneesin skenaarioon ns. sisältä ulos -malli, Spang ja Schleper sanoivat. Vuonna 2014 solubiologi Buzz Baum University College Londonissa ja hänen serkkunsa, evoluutiobiologi David Baum Wisconsinin yliopistossa Madisonissa esitettiin ideaa, jonka he olivat ottaneet käyttöön perhetapahtumissa: että ensimmäiset eukaryootit syntyivät sen jälkeen, kun yksinkertainen esi-isäsolu ulotti ulkonemat soluseinänsä ohi. Ensin nämä käsivarret kurottivat symbioottista bakteeria kohti. Lopulta he sulkeutuivat tämän kumppanin ympärille ja muuttivat sen proto-mitokondrioksi. Sekä alkuperäinen arkeaalinen solu että vangittu symbiootti olivat käsivarsien tarjoaman luurangon sisällä.

Kun Asgardin arkeat tunnettiin vielä vain ympäristön DNA:n romuista, Baum oli pyytänyt konferenssin osallistujia piirtämään, miltä organismit heidän mielestään näyttäisivät. Hänen oma piirustus, joka perustui sisältä ulospäin -ideoihin ja ennusti, että niissä esiintyisi ulkonevia käsivarsia, yllätti muut kokoontuneet tiedemiehet. Tuolloin Schleper sanoi, että se vaikutti "niin oudolta, että hän tekee tämän hauskan ehdotuksen".

Kilpailullinen ilmapiiri

Eukaryogeneesin tapahtumat ovat olleet niin hämärtyneet välissä olevan ajan ja geeninvaihdon vuoksi, että emme ehkä koskaan tiedä niitä varmasti.

Esimerkiksi kaksi tällä hetkellä kulttuurissa olevaa Loki-lajia ovat nykyajan organismeja, jotka eroavat muinaisista arkeista samalla tavalla kuin elävä, laulava kardinaali eroaa esi-isi-dinosauruksesta, josta se kehittyi. Loki-ryhmä ei ole edes se Asgard-arkean osajoukko, jonka geneettiset analyysit viittaavat läheisimmin eukaryooteihin. (Perustuu tunnettuihin Asgardin genomeihin, esipainos Ettema ja hänen kollegansa maaliskuussa väittivät, että eukaryoottien esi-isä oli Heimdallin arkeoni.)

Silti laboratoriot ympäri maailmaa uhkaavat, että Asgard-ryhmän monimuotoisempien edustajien tuominen viljelyyn tuottaa uusia vihjeitä heidän – ja meidän – yhteisestä esi-isästämme. Schleper yrittää. Samoin Ettema. Samoin Baum, joka sanoi, että hänen laboratorionsa toivottaa pian tervetulleeksi uuden kollegan, joka tuo pulloja arkeaa sellaisilta ryhmiltä kuin Heimdall ja Odin. Samoin Imachi, joka kieltäytyi puhumasta Quanta tälle tarinalle.

"Jos haastattelisit minua nyt, puhuisin todennäköisesti uusista tiedoista, joita ei ole vielä julkaistu", hän selitti sähköpostissa ja lisäsi, että hänen ryhmänsä ylisti Schleper-tiimin ponnisteluja. "Nyt on erittäin kilpailukykyinen (vaikka en pidä tällaisesta kilpailusta), hän lisäsi.

Myös muut lähteet valittivat liian paineistettua ilmapiiriä. "Olisi hienoa, jos kenttä olisi avoimempi jakamiselle", Spang sanoi. Paine painaa eniten nuoria tiedemiehiä, jotka ovat taipuvaisia ​​ottamaan vastaan ​​riskialttiita ja palkitsevia viljelyprojekteja. Menestys voi lisätä hehkua luonto paperia ansioluetteloonsa. Mutta vuosien tuhlaaminen epäonnistuneisiin ponnisteluihin voi heikentää heidän mahdollisuuksiaan saada koskaan töitä tieteessä. "Se on todella epäreilu tilanne", Schleper sanoi.

Toistaiseksi kisa kuitenkin jatkuu. Kun Baumin serkut julkaisivat ajatuksensa eukaryogeneesistä vuonna 2014, Buzz Baum sanoi, että he olettivat, että emme luultavasti koskaan saa tietää totuutta. Sitten yhtäkkiä Asgardit ilmestyivät tarjoten uusia välähdyksiä liminaalisista, siirtymävaiheista, jotka lisäsivät elämää yksisoluisesta yksinkertaisuudesta ylikierrokselle.

"Ennen kuin tuhoamme tämän kauniin planeetan, meidän pitäisi vähän etsiä, koska maapallolla on hienoja asioita, joista emme tiedä mitään. Ehkä on asioita, jotka ovat eräänlaisia ​​eläviä fossiileja - valtioita siltä väliltä", hän sanoi. "Ehkä se on suihkuverhossani."