A primitív Asgard sejtek életet mutatnak a bonyolultság határán

Egy tölgyfa. A szimbiotikus gomba összefonódott gyökereivel. Egyik ágáról csiripelő bíboros. Az eddigi legjobb nyomunk közös ősükről a decemberben bemutatott elektronmikroszkópos képeken érkezhetett.

"Néz!" – mondta a mikrobiológus Christa Schleper, sugárzott, miközben egy nyomtatott, nagy felbontású képet tartott webkamerája előtt a Bécsi Egyetemen. – Hát nem gyönyörű? A mikroképen látható sejtek 500 nanométer széles gömbök voltak, amelyeket Medúza-szerű indák vettek körül. Munkacsoportja nemcsak izolálta és tenyésztette először a szervezetet, hanem kimutatta, hogy csapkodó filamentumai aktinból, abból a fehérjéből állnak, amely szinte minden összetett sejtben vagy eukariótákban csontvázat képez.

De ez nem volt összetett sejt. Ősibbnek, ősibbnek tűnt. Először is a szervezet kiadva Természet, csak a második képviselője az Asgard archaea nevű mikrobacsoportnak, amelyet termesztenek és részletesen tanulmányoznak. Ha rávenni, hogy egy kis kanál tengerfenéki iszapból nőjön ki, ami hat évig tartott, olyan volt, mintha öltözőt készítettek volna elő egy temperamentumos hírességnek. A szervezetet nem lehetett centrifugálni, keverni, oxigénnek kitenni, elválasztani néhány más mikrobától, amelyekkel barátkozik, és nem lehetett jeges tempónál gyorsabban növekedni.

Hónapokig nem is nőtt. „Aggódtam saját jövőmért is a tudományban” – mondta Thiago Rodrigues-Oliveira, aki Schleper laboratóriumának posztdoktorijaként vezette az új faj termesztésére irányuló erőfeszítéseket, saját karrierjét egyetlen, ellenszegülő organizmus szeszélyeire fogadva.

Bármilyen gyötrelmesen nehéz is megbirkózni velük, az Asgard archaea ma a tudomány legáhítottabb élőlényei közé tartozik, és ennek jó oka van. Sok evolúcióbiológus számára felfedezéseik és későbbi tanulmányaik indokolják az életfáról készült tankönyvi képek átdolgozását, hogy minket – és minden más, eukarióta sejtekből felépülő lényt – az Asgard-csoport puszta ágaiként helyezzenek el.

Az Asgard-genomok tanulmányozása eközben égetően szükséges adatokat hozott az eukarióták fejlődésének kérdéséhez, amely korszakos esemény a Föld történetében, és vitákat vált ki. Az eddigi vizsgálatok többsége az Asgard-csoport közvetett genetikai próbáira támaszkodott, amelyek nem kínálják ugyanazokat a lehetőségeket, mint élő mikrobák laboratóriumi előállítása, ami Louis Pasteur napjai óta a mikrobiológia aranystandardja.

Most egy nagy tétű, lassított verseny zajlik, miközben a laboratóriumok világszerte megpróbálják saját Asgard kultúrájukat termeszteni. A minták nincsenek megosztva; A növekedési stratégiák szigorúan őrzött titkok. „Őszintén megdöbbentünk”, amikor megjelentek a Schleper-csapat eredményei – írta Hiroyuki Imachi, a Japán Tengeri-Föld Tudományos és Technológiai Ügynökség mikrobiológusa, aki 12 éves fárasztó erőfeszítés után izolálta az első és jelenleg egyetlen másik Asgard archaea mintát.

Nem ők az egyetlenek. Thijs Ettema, a holland Wageningeni Egyetem evolúciós mikrobiológusa utalt arra, hogy az ő laborja is előrehaladt az Asgard kultúrák gazdagítása felé, és úgy sejtette, hogy legalább 10 másik laboratóriumban is vannak hasonló projektek. – Nem mondanák el – mondta.

Egy szervezet összeállítása

Az Asgard archaeához vezető ösvény először egy évtizede melegedett fel. Ekkor egy csapat, köztük Ettema, Schleper és Anja Spang, aki jelenleg az Amszterdami Egyetem evolúciós mikrobiológusa, arra vállalkozott, hogy megtalálja azt, amit reméltek, az evolúciós hiányzó láncszem.

A biológusok már régóta használták a genetikai adatokat, hogy az összes ismert organizmust három rendszertani tárolóba sorolják: baktériumokba, archaeákba és eukariótákba. De hangos nézeteltérések voltak abban, hogyan rajzolják meg azt a családfát, amely összeköti ezeket a csoportokat.

Carl Woese, a befolyásos amerikai mikrobiológus, aki az 1970-es évek végén fedezte fel az archaeát, úgy vélte, hogy a három csoport önállóan áll, méltóságban egyformán, és az élet különböző „területeit” képviselik. Woese és szövetségesei szerint az archaeák és az eukarióták testvércsoportok, amelyek egy idősebb őstől származtak. Ellenfeleik egy „két tartományú” fa mellett érveltek, amely csak baktériumokból és archaeából áll, azt állítva, hogy az eukarióták közvetlenül az archaeából fejlődtek ki.

Táborok alakultak; pozíciók erősödtek meg. „Bármi, ami a származásunkkal kapcsolatos, függetlenül attól, hogy milyen messzire megy vissza az időben, az embereket nagyon érdekli” – mondta Spang.

Évekkel az új organizmusok izolálása előtt a mikrobiális felmérések egy ismeretlen archaeacsoportra utaltak, amelyek genomja gyanúsan közel áll az eukarióták genomjához a tengeri üledékekben szerte a világon. Egy tanulmány vezetésével Steffen Jørgensen, Schleper doktorandusza kimutatta, hogy ezek a titokzatos mikrobák az Atlanti-óceánban 2008-ban egy hidrotermális szellőző közelében felhalmozódott tengerfenéki iszapban virágoznak. Ugyanebből a mintából 7.5 gramm iszappal dolgozva a csapat elkezdte kihalászni a kóbor DNS hosszabb szekvenciáit.

Közbenső céljuk az volt, hogy egy 20 éves metagenomikának nevezett technikát alkalmazzanak genetikai szekvenciák kinyerésére minden jelenlévő organizmusból. Képzeld el, hogy több ezer feladványból összekevert darabok vannak – magyarázta Spang. Először ki kell találnia, hogy mely darabok tartoznak az egyes rejtvényekhez. Ezután minden rejtvényt összeraksz. A metagenomika így tud genomokat összeállítani, csak a sárban megbúvó mikrobák DNS-éből dolgozik.

Azt az elemzést2015-ben publikált egy különösen provokatív genomot tárt fel. A szervezet, amelyhez tartozott, a valaha felfedezett leginkább eukariótaszerű archeonnak tűnt, legalább 175 olyan fehérje génjével, amelyek erősen hasonlítanak eukarióta fehérjékre. A kutatók azzal érveltek, hogy minden eukarióta ennek az archeonnak egy közeli rokonából származhatott, ami erősen alátámasztja az életfa kétdoménes változatát.

Ettema a szervezetet Lokiarcheotának nevezte el. A név a Loki-kastélyra utalt, a hidrotermális szellőzőképződményre, amely a minták gyűjtésének közelében található. A 2015-ös újság azonban egy további okot is közölt. „Lokit úgy írták le, mint „megdöbbentően összetett, zavaros és ambivalens figurát, aki számtalan megoldatlan tudományos vita katalizátora volt”” – írták a skandináv irodalom egyik tudósát idézve. Úgy tűnt, hogy az utalás illeszkedik az eukariogenezissel, az összetett sejtek eredetével kapcsolatos vitákhoz.

Felfedezésüket hamarosan a három tartományból álló modell hívei támadták. Valóban léteztek a Loki szervezetek? Vagy Spang rosszul oldotta meg a metagenomikus rejtvényeket, és több különböző mikroba genomját keverte össze egyetlen kiméra, képzeletbeli lénnyel?

Ám hamarosan Ettema, Spang és sok más munkatárs a Loki szervezetéhez hasonló genetikai szekvenciákat fedezett fel forró forrásokban, víztartókban, valamint sós és édesvízi üledékekben szerte a világon. Az élőlények egyáltalán nem voltak ritkák. Csak figyelmen kívül hagyták őket.

A tudósok új neveket adtak a feltörekvő csoportoknak, amelyek megtartották a skandináv mitológia témáját – Odin, Thor, Hel, Heimdall –, és az egész birodalmat Asgard archaeaként emlegették, a skandináv istenek otthona után. Úgy tűnt, hogy a további genomok sok eukarióta-szerű fehérjét is tartalmaznak, amelyek tovább támogatták az életfa kétdoménes változatát, amelyben eukarióta águnk egy Asgard ősből sarjadt ki.

Ennek ellenére az eukariogenezis helyének feltárása az élet családfájában nem sokat segített a folyamat kibontakozása körüli viták megoldásában. A biológusok azt gyanították, hogy az Asgard archaea élő példáinak tanulmányozása több betekintést nyerhet, mint amennyit a DNS-töredékek megtekintéséből nyerhetnének. 2015-ben, nem sokkal az Asgard-csoport felfedezése után Schleper elkezdett egy Lokit Ausztriában termeszteni.

Az ember azonban anélkül, hogy mindannyian tudták volna, Japánban már olyan lassan elszaporodott a termesztésben.

Mikroba, amelyet nehéz megszerezni

„A keresztnevem, Hiro, azt jelenti, hogy „toleráns” – mondta Imachi Quanta egy 2020-as interjúban. „Úgy gondolom, hogy toleránsnak és türelmesnek lenni – hogy is mondjam – fontos az életemben.”

2006-ban Japán partjainál egy legénységi búvárhajó, az úgynevezett Sinkai 6500 fekete, kénes üledékből álló magot fúrtak ki egy 2.5 kilométeres óceán alatti árok fenekéből. Még abban az évben Imachi ezen üledék egy részét bioreaktorokba helyezte, amelyek mélytengeri környezetet tudtak szimulálni; a szennyvíztisztító rendszerek berendezéseit a fejlődő országok számára adaptálta. Aztán letelepedett, hogy megnézze, mit teremhet ez a furcsa kert.

A metagenomika már korábban feltárta, hogy az ismert tenyészthető élőlények összessége a természet valódi mikrobiális sokféleségének csak töredékét képviseli. Imachi, aki akkor még néhány évvel a posztgraduális iskolából kikerült, karrierjét annak a quixotikus célnak szentelte, hogy minden mikrobát termesztésbe hozzon. Ahhoz, hogy valami Lokihoz hasonlót nevelhessünk laboratóriumi vizsgálat céljából, egyszerre több ijesztő akadályt kellene leküzdenie.

Először is, bármely kis tengerfenéki iszap több száz mikrobiális fajnak ad otthont. A nemkívánatos baktériumok eltávolítására antibiotikumokat adhat hozzá, amelyek halálosak a baktériumok számára, de az archaeák tolerálják. De az antibiotikumok elpusztíthatják azokat a szimbiotikus baktériumfajokat is, amelyek nélkül a cél archeon nem tud élni. Ezért különböző koncentrációjú antibiotikumokkal kell kísérletezni, hogy olyan kezelést találjunk, amely csak megfelelően halálos.

Másodszor, meg kell találnia a tápanyagok, a tápközeg és az üledékek megfelelő keverékét a célszervezet virágzásához. Végül várnia kell, és várnia kell, amíg a cél elég magas koncentrációra nő ahhoz, hogy elektronmikroszkóp alatt megtalálja, vagy kísérletezzen. . Ha boldog, az Imachi által táplált szervezet körülbelül két-három hetente osztódik. Összehasonlítva, Escherichia coli, a bakteriális igásló számos mikrobiológiai laboratóriumban, kötelességteljesen megduplázza magát mindössze 20 perc alatt.

Öt és fél évvel azután, hogy a mintáik Imachi bioreaktorába kerültek, a japán csapat kis üvegcsövekbe oltotta be a benne termőt. Körülbelül egy év elteltével az élet halvány jeleit észlelték egyetlen antibiotikummal adagolt tubusban. Aztán elkezdték a célpontjukat – amelyről azt látták, hogy a szekvenciák megegyeztek a Spang által 2015-ben közzétett Lokiarcheota csoportéval – magasabb koncentrációra.

2019 nyarán, nem sokkal azelőtt, hogy feltöltötték kéziratukat egy nyomtatás előtti szerverre, az Imachi küldött egy papírvázlatot az Ettemának. sikerüket hirdetve. Ettema felidézte első pillantását a lényre, akit évek óta tanulmányozott genetikai szekvenciákon keresztül. „Úgy nézett ki, mint egy organizmus egy másik bolygóról” – mondta. – Még soha nem láttam ilyesmit.

A japán csoport elektronmikroszkópos felvételei véget vetettek annak a vitának, hogy a Loki organizmus valódi-e, vagy a metagenomika műterméke. Munkájuk azonban két kulcsfontosságú új felfedezést is hozott a Loki archaeával kapcsolatban: az élőlény apró karokkal vette körül magát, és úgy tűnt, hogy egy szulfátredukáló baktériummal és egy másik metánt termelő archeonfajjal együtt függő csomókban fejlődik.

Eközben Schleper ausztriai laborjában a kezdeti hatéves támogatás egyre apadt, és nem volt kilátás új finanszírozásra. Az egyik posztdoktori, akit a szervezet termesztésével bíztak meg, végül elhagyta a tudományt. A csapat másik tagja, egy technikus annyit pipettázott, hogy műtétre volt szükség a kéztőalagút szindróma miatt.

2019 őszén azonban egy Loki organizmus Rodrigues-Oliveira által elindított tenyészete elkezdett előrehaladni. Körülbelül a felére osztódott, mint a japán törzs, és 50-100-szor nagyobb sűrűséget ért el. Ennek ellenére a vele való munka még mindig olyan lehet, mint az a Hol van Waldo? könyv: A minták elektronmikroszkóppal történő pásztázása során 36 órán át, Schleper elmondta, a csapat mindössze 17 egyedi mintát észlelt.

Tavaly decemberben mutatták be eredményeiket Természet. Ennek a Lokinak is voltak csápszerű szálai, amelyekről Schleper csoportja feltételezi, hogy más élőlényeket összegabalyíthat, és kölcsönhatásba léphet velük. A japán csapatot átkutatva kimutatták, hogy a csápok egy fehérjéből, a Lokiactinból készültek, amely nagyon hasonlít ahhoz az aktinhoz, amellyel az eukarióta sejtek támogató citoszkeletonokat építenek fel. Tehát nem csak a Lokiactin gén, mint egy eukarióta gén, hanem eukarióta-szerű funkciót is ellát.

A Lokiactin gén a 172 Asgard genom mindegyikében felbukkan, amellyel a tudósok találkoztak. Ez azt jelenti, hogy az egész csoport ősének – és talán az összes eukarióta ősének – hasonló protocsontváz lehetett.

Tehát mit próbál most Schleper laboratóriuma kezdeni az organizmussal? "Minden!" - mondta nevetve.

Összetett sejtek kialakítása

A jelenleg uralkodó két tartományból álló képen belül, amelyhez az Asgard archaea hozzájárul, a bolygó életének nagy története valahogy így hangzik. Körülbelül 4 milliárd évvel ezelőtt az élet két egysejtű ágra, az archaeákra és a baktériumokra szakadt szét.

A genetikai bizonyítékok arra utalnak, hogy a két ág 2 milliárd évvel később újra keresztezte egymást, amikor egy archeon – valószínűleg az Asgard csoportból – valamilyen módon lenyelt egy baktériumot. A folyamat háziasította az egykor különálló, szabadon élő sejtet, és mitokondriumnak nevezett organellummá alakította, amelyek az eukarióta sejtekben is megmaradnak. Ennek a végzetes egyesülésnek a leszármazottai más egysejtű élőlényekké, például dinoflagellákká ágaztak el, majd később többsejtű lényekké, amelyek makroszkopikus méretűre nőttek, kövületeket hagytak maguk után, és gyarmatosították a tengert és a szárazföldet.

De még az e narratíva mögött álló teoretikusok is megosztott táborokhoz tartoznak. Egyesek azt állítják, hogy a mitokondriumok megszerzése volt az eukariogenezis meghatározó eseménye. Mások ragaszkodnak ahhoz, hogy a mitokondriumok későn érkeztek egy folyamatban lévő átalakulás során. „Lehet, hogy voltak Asgard archeái, amelyek már meglehetősen összetettek és meglehetősen eukariótaszerűek voltak” – mondta. Tom Williams, a Bristoli Egyetem számítógépes mikrobiológusa. "Aztán mitokondriumokat szereztek, ennek a nézetnek egy extrém formájában, mintegy hab a tortán."

Eddig azt mondta, hogy az Asgardok összetettsége a mitokondriumok hiánya ellenére az utóbbi nézet felé billentette a vitát. De az Asgardokkal kapcsolatos kutatásokból származó adatok más módon is korlátozták az eukariogenezis vitáját.

Egyrészt mindkét eddig termesztett Asgardot nehéznek bizonyult elválasztani a többi mikrobától. A japán Lokihoz hasonlóan úgy tűnik, hogy az osztrák szervezetek is jobban szeretik – még attól is függnek –, hogy egy extra archeonfajt és egy másik szulfátredukáló baktériumot tartsanak velük a tenyészetben. Az eukariogenezissel foglalkozó tudósok, mint pl Purificación López-García a Francia Nemzeti Tudományos Kutatási Központban régóta hirdetik azt az elképzelést, hogy a mitokondriumokat először belülről fogták be, csak ilyen „szintropikus” partnerség, ahol több faj egymásra utalva él.

Az a felfedezés, hogy Lokisnak aktincsápjai vannak, hitelesebbé teszi az eukariogenezis forgatókönyvét, az ún. a belülről kifelé modell, mondta Spang és Schleper. 2014-ben a sejtbiológus Buzz Baum a University College Londonban és unokatestvére, az evolúciós biológus David Baum a Wisconsini Egyetem (Madison) munkatársa egy olyan ötletet javasolt, amelyet családi eseményeken vetettek fel: az első eukarióták azután születtek, hogy egy egyszerű ősi sejt kitüremkedéseket terjesztett túl a sejtfalakon. Ezek a karok először egy szimbiotikus baktérium felé nyúltak. Végül összezárultak a partner körül, és proto-mitokondriummá változtatták. Mind az eredeti régészeti sejt, mind az elfogott szimbióta a karok által biztosított csontvázba volt burkolva.

Amikor az Asgard archaeákat még csak a környezeti DNS-töredékekből ismerték, Baum megkérte a résztvevőket egy konferencián, hogy rajzolják le, szerintük hogyan néznek ki az élőlények. Saját rajza, amely a kifelé ívelő ötleteken alapult, és amely azt jósolta, hogy kiálló karokat fognak viselni, meglepte a többi összegyűlt tudóst. Akkoriban Schleper szerint „olyan furcsának tűnt, hogy ezt a vicces javaslatot teszi”.

Versenyképes légkör

Az eukariogenezis eseményeit annyira elhomályosította a közbenső idő és a géncsere, hogy talán soha nem fogjuk biztosan megismerni őket.

A jelenleg kultúrában lévő két Loki-faj például modern kori organizmus, amely ugyanúgy különbözik az ókori archaeáktól, mint az élő, éneklő bíboros az ősi dinoszaurusztól, amelyből kifejlődött. A Loki-csoport még csak nem is az Asgard archaea azon részhalmaza, amely a genetikai elemzések szerint a legszorosabb rokonságban áll az eukariótákkal. (Az ismert Asgard-genomok alapján, egy előnyomat Ettema és munkatársai márciusban azzal érveltek, hogy az eukarióták őse egy Heimdall archeon volt.)

Ennek ellenére a laboratóriumok szerte a világon arra törekednek, hogy az Asgard-csoport sokszínűbb képviselőinek termesztése új nyomokat eredményezzen – és közös ősünkről. Schleper próbálkozik. Ilyen az Ettema is. Így van ezzel Baum is, aki azt mondta, hogy laboratóriuma hamarosan új kollégát köszönt be, aki olyan csoportoktól fog hozni egy fiolák archaeát, mint Heimdall és Odin. Így van ezzel Imachi is, aki nem volt hajlandó beszélni vele Quanta erre a történetre.

"Ha most interjút készítene velem, nagy valószínűséggel új adatokról beszélnék, amelyeket még nem tettek közzé" - magyarázta egy e-mailben, hozzátéve, hogy csoportja üdvözölte a Schleper-csapat erőfeszítéseit. „Nagyon versenyképes most (bár nem szeretem ezt a fajta versenyt)” – tette hozzá.

Más források is nehezményezték a túlnyomásos légkört. „Jó lenne, ha a mezőny nyitottabb lenne a megosztásra” – mondta Spang. A nyomás leginkább a fiatal tudósokra nehezedik, akik hajlamosak a magas kockázatú, magas jövedelmet hozó termesztési projektekre. A siker ragyogást adhat hozzá Természet papírt az önéletrajzukba. De ha éveket pazarolnak egy sikertelen erőfeszítésre, az meggátolja esélyeiket, hogy valaha is tudományos állást kapjanak. „Ez valóban igazságtalan helyzet” – mondta Schleper.

Egyelőre azonban folytatódik a verseny. Amikor a Baum unokatestvérek 2014-ben közzétették elképzeléseiket az eukariogenezisről, Buzz Baum azt mondta, azt feltételezték, hogy valószínűleg soha nem fogjuk megtudni az igazságot. Aztán hirtelen megjelentek az Asgardok, új pillantásokat vetve azokra a végletekig átmeneti szakaszokra, amelyek az egysejtű egyszerűségből a túlhajtásba lendítették az életet.

„Mielőtt elpusztítanánk ezt a gyönyörű bolygót, nézzünk egy kicsit, mert vannak olyan klassz dolgok a Földön, amelyekről semmit sem tudunk. Lehet, hogy vannak olyan dolgok, amelyek afféle élő kövületek – a köztük lévő állapotok” – mondta. – Talán a zuhanyfüggönyömön van.