Sel Asgard Primitif Menunjukkan Kehidupan di Jurang Kompleksitas

Sebuah pohon ek. Jamur simbiotik terjalin dengan akarnya. Seorang kardinal berkicau dari salah satu cabangnya. Petunjuk terbaik kami untuk nenek moyang bersama mereka mungkin telah sampai pada gambar mikroskop elektron yang diluncurkan pada bulan Desember.

"Lihat!" kata ahli mikrobiologi Christa Schleper, berseri-seri saat dia memegang gambar beresolusi tinggi yang dicetak di depan webcam-nya di Universitas Wina. "Bukankah itu indah?" Sel-sel dalam mikrograf adalah bola selebar 500 nanometer yang dikelilingi oleh lingkaran sulur mirip Medusa. Timnya tidak hanya mengisolasi dan membudidayakan organisme untuk pertama kalinya, tetapi juga menunjukkan bahwa filamennya terbuat dari aktin, protein yang membentuk perancah kerangka di hampir semua sel kompleks, atau eukariota.

Tapi ini bukan sel yang rumit. Itu terlihat lebih leluhur, primordial. Organisme, pertama diterbitkan dalam Alam, hanyalah perwakilan kedua dari kelompok mikroba yang disebut Asgard archaea untuk ditumbuhkan dan dipelajari secara mendetail. Membujuknya untuk tumbuh dari sesendok kecil lumpur dasar laut, yang memakan waktu enam tahun, seperti menyiapkan ruang ganti untuk selebritas yang temperamental. Organisme ini tidak dapat disentrifugasi, diaduk, terpapar oksigen, dipisahkan dari beberapa mikroba lain yang menjadi temannya, atau diburu untuk tumbuh lebih cepat daripada kecepatan glasial.

Selama berbulan-bulan, itu bahkan tidak tumbuh sama sekali. “Saya juga mengkhawatirkan masa depan saya sendiri di bidang sains,” kata Thiago Rodrigues-Oliveira, yang memimpin upaya membudidayakan spesies baru sebagai pascadoktoral di lab Schleper, mempertaruhkan kariernya sendiri pada keinginan organisme tunggal yang bandel.

Meskipun sangat sulit untuk dihadapi, archaea Asgard sekarang menjadi salah satu organisme yang paling didambakan dalam sains, dan untuk alasan yang bagus. Bagi banyak ahli biologi evolusi, penemuan mereka dan studi selanjutnya membenarkan revisi gambar buku teks dari pohon kehidupan untuk menempatkan kita — dan setiap makhluk lain yang dibangun dari sel eukariotik — hanya sebagai cabang dari kelompok Asgard.

Studi genom Asgard, sementara itu, telah membawa data yang sangat dibutuhkan untuk pertanyaan tentang bagaimana eukariota berevolusi, sebuah peristiwa penting dalam sejarah Bumi yang menginspirasi perdebatan kontroversial. Sebagian besar penelitian hingga saat ini harus mengandalkan penyelidikan genetik tidak langsung dari kelompok Asgard, yang tidak menawarkan peluang yang sama seperti mendorong mikroba hidup di laboratorium, standar emas dalam mikrobiologi sejak zaman Louis Pasteur.

Sekarang perlombaan gerak lambat berisiko tinggi sedang berlangsung saat laboratorium di seluruh dunia berupaya menumbuhkan budaya Asgard mereka sendiri. Sampel tidak dibagikan; strategi pertumbuhan adalah rahasia yang dijaga ketat. "Kami benar-benar terkejut" saat hasil tim Schleper keluar, tulisnya Hiroyuki Imachi, ahli mikrobiologi di Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology yang, setelah upaya yang melelahkan selama 12 tahun, mengisolasi sampel archaea Asgard pertama dan satu-satunya saat ini.

Mereka bukan satu-satunya. Thijs EtemaDr. "Mereka tidak akan memberitahuku," katanya.

Menyatukan Organisme

Jejak yang mengarah ke Asgard archaea pertama kali menghangat satu dekade lalu. Saat itulah tim termasuk Ettema, Schleper dan Anja Spang, yang sekarang menjadi ahli mikrobiologi evolusioner di Universitas Amsterdam, berangkat untuk menemukan apa yang mereka harapkan sebagai mata rantai evolusioner yang hilang.

Ahli biologi telah lama menggunakan data genetik untuk mengurutkan semua organisme yang dikenal ke dalam tiga tempat taksonomi: bakteri, archaea, dan eukariota. Tetapi mereka sangat tidak setuju tentang cara menggambar silsilah keluarga yang harus menyatukan kelompok-kelompok ini.

Carl Woese, ahli mikrobiologi Amerika berpengaruh yang menemukan archaea pada akhir 1970-an, berpendapat bahwa ketiga kelompok berdiri sendiri, masing-masing memiliki martabat yang sama, mewakili "domain" kehidupan yang berbeda. Dalam pandangan Woese dan sekutunya, archaea dan eukariota adalah kelompok saudara yang diturunkan dari nenek moyang yang lebih tua. Lawan mereka memperdebatkan pohon "dua domain" yang hanya terdiri dari bakteri dan archaea, mengklaim bahwa eukariota telah berevolusi langsung dari archaea.

Kamp terbentuk; posisi tumbuh mengakar. “Apa pun yang berkaitan dengan asal usul kita, terlepas dari seberapa jauh Anda kembali ke masa lalu, adalah sesuatu yang sangat diperhatikan manusia,” kata Spang.

Bertahun-tahun sebelum organisme baru diisolasi, survei mikroba mengambil petunjuk dari kelompok archaea yang tidak diketahui dengan genom yang mencurigakan dekat dengan eukariota di sedimen laut di seluruh dunia. Satu studi, dipimpin oleh Steffen Jorgensen, mahasiswa doktoral Schleper, menunjukkan bahwa mikroba misterius ini berkembang biak di kotoran dasar laut yang diambil di dekat lubang hidrotermal di Samudra Atlantik pada tahun 2008. Bekerja dengan 7.5 gram lumpur dari sampel yang sama ini, tim mulai memancing urutan DNA liar yang lebih panjang.

Tujuan antara mereka adalah menggunakan teknik berusia 20 tahun yang disebut metagenomik untuk mendapatkan urutan genetik dari setiap organisme yang ada. Bayangkan Anda memiliki tumpukan potongan dari ribuan teka-teki, jelas Spang. Pertama, Anda mencari tahu bagian mana yang termasuk dalam setiap teka-teki. Kemudian Anda menyatukan setiap teka-teki. Metagenomik dapat menyusun genom dengan cara ini, hanya bekerja dari DNA mikroba yang bersembunyi di lumpur.

Analisis itu, diterbitkan pada tahun 2015, menemukan satu genom yang sangat provokatif. Organisme tempatnya tampaknya merupakan archaeon paling mirip eukariota yang pernah ditemukan, dengan gen untuk setidaknya 175 protein yang sangat mirip dengan protein eukariotik. Para peneliti berargumen bahwa semua eukariota mungkin muncul dari kerabat dekat arkeon itu, pandangan yang sangat mendukung versi dua domain dari pohon kehidupan.

Ettema menamai organisme tersebut Lokiarcheota. Nama itu mengacu pada Kastil Loki, formasi lubang hidrotermal di dekat tempat sampel dikumpulkan. Namun makalah tahun 2015 memberikan alasan tambahan. “Loki telah digambarkan sebagai 'sosok yang sangat kompleks, membingungkan, dan ambivalen yang telah menjadi katalisator kontroversi ilmiah yang tak terhitung jumlahnya,'” tulis mereka, mengutip seorang sarjana sastra Skandinavia. Kiasan itu tampaknya cocok dengan perdebatan seputar eukaryogenesis, asal mula sel kompleks.

Penemuan mereka segera mendapat kecaman dari para pendukung model tiga domain. Apakah organisme Loki benar-benar ada? Atau apakah Spang salah dalam memecahkan teka-teki metagenomik dan mencampurkan genom dari beberapa mikroba yang berbeda menjadi satu makhluk imajiner yang tidak masuk akal?

Namun tak lama kemudian Ettema, Spang, dan banyak kolaborator lainnya menemukan urutan genetik yang mirip dengan organisme Loki di mata air panas, akuifer, dan sedimen air asin dan air tawar di seluruh dunia. Organisme itu tidak langka sama sekali. Mereka baru saja diabaikan.

Para ilmuwan memberi nama baru kepada kelompok yang muncul yang mempertahankan tema mitologi Norse - Odin, Thor, Hel, Heimdall - dan merujuk ke seluruh dunia sebagai archaea Asgard, setelah rumah para dewa Norse. Genom tambahan juga tampaknya mencakup banyak protein mirip eukariota, yang selanjutnya mendukung versi dua domain pohon kehidupan tempat cabang eukariotik kita bertunas dari nenek moyang Asgard.

Meski begitu, menyelesaikan di mana eukaryogenesis terjadi dalam silsilah keluarga kehidupan tidak banyak menyelesaikan perdebatan tentang bagaimana proses itu berlangsung. Ahli biologi menduga bahwa mempelajari contoh hidup dari Asgard archaea mungkin menghasilkan lebih banyak wawasan daripada yang bisa mereka dapatkan dari melihat fragmen DNA. Pada 2015, segera setelah kelompok Asgard ditemukan, Schleper mulai mencoba menumbuhkan Loki di Austria.

Namun, tanpa sepengetahuan mereka semua, satu sudah berkembang biak, dengan sangat lambat, dalam kultivasi di Jepang.

Mikroba yang Sulit Didapatkan

“Nama depan saya, Hiro, berarti 'toleran',” kata Imachi Quanta dalam wawancara tahun 2020. “Saya pikir [menjadi] toleran dan sabar — bagaimana mengatakannya — penting dalam hidup saya.”

Pada tahun 2006, di lepas pantai Jepang, sebuah kapal selam berawak disebut Shin Kai 6500 mengebor inti sedimen hitam belerang dari dasar parit di bawah laut sedalam 2.5 kilometer. Belakangan tahun itu, Imachi memasukkan sebagian dari sedimen ini ke dalam bioreaktor yang dapat mensimulasikan lingkungan laut dalam; dia telah mengadaptasi peralatan dari sistem pengolahan limbah untuk negara berkembang. Kemudian dia menetap untuk melihat apa yang mungkin tumbuh di taman aneh ini.

Metagenomik telah mengungkapkan bahwa keseluruhan organisme yang dapat dibudidayakan hanya mewakili sebagian kecil dari keanekaragaman mikroba alam yang sebenarnya. Imachi, yang saat itu beberapa tahun lulus dari sekolah pascasarjana, telah mendedikasikan karirnya untuk tujuan pemurah membawa semua mikroba ke dalam kultivasi. Namun, untuk menumbuhkan sesuatu seperti Loki untuk studi laboratorium, akan membutuhkan beberapa rintangan yang menakutkan sekaligus.

Pertama, setiap bagian kecil dari lumpur dasar laut menampung ratusan spesies mikroba. Untuk menghilangkan bakteri yang tidak diinginkan, Anda dapat menambahkan antibiotik, yang mematikan bakteri tetapi dapat ditoleransi oleh archaea. Tetapi antibiotik juga dapat membunuh spesies bakteri simbiotik yang tidak dapat hidup tanpa archaeon target Anda. Jadi perlu bereksperimen dengan berbagai antibiotik pada konsentrasi berbeda untuk menemukan pengobatan yang mematikan secara tepat.

Kedua, Anda harus menemukan campuran nutrisi, media, dan sedimen yang tepat untuk organisme target Anda berkembang. Terakhir, Anda harus menunggu dan menunggu target tumbuh ke konsentrasi yang cukup tinggi untuk ditemukan di bawah mikroskop elektron atau untuk bereksperimen pada . Saat bahagia, organisme yang diasuh Imachi membelah setiap dua atau tiga minggu sekali. Dengan perbandingan, Escherichia coli, pekerja keras bakteri di banyak laboratorium mikrobiologi, wajib menggandakan dirinya hanya dalam 20 menit.

Lima setengah tahun setelah sampel mereka masuk ke bioreaktor Imachi, tim Jepang menyuntik apa pun yang tumbuh di dalamnya ke dalam tabung kaca kecil. Setelah sekitar satu tahun, mereka melihat tanda-tanda samar kehidupan dalam satu tabung yang diberi antibiotik. Kemudian mereka mulai mencoba untuk mendorong target mereka - yang mereka lihat memiliki urutan yang cocok dengan kelompok Lokiarcheota yang telah diterbitkan Spang pada tahun 2015 - ke konsentrasi yang lebih tinggi.

Pada musim panas 2019, sesaat sebelum mengunggah manuskrip mereka ke server pracetak, Imachi mengirimkan draf makalah kepada Ettema mengumumkan keberhasilan mereka. Ettema mengingat kilasan pertamanya tentang makhluk yang telah dia pelajari melalui rangkaian genetik selama bertahun-tahun. "Itu tampak seperti organisme dari planet yang berbeda," katanya. "Aku belum pernah melihat yang seperti itu."

Gambar mikroskop elektron kelompok Jepang mengakhiri perdebatan tentang apakah organisme Loki itu nyata atau artefak metagenomik. Tetapi pekerjaan mereka juga menetapkan dua penemuan baru yang penting tentang archaea Loki: bahwa organisme itu mengelilingi dirinya dengan lengan-lengan kecil, dan tampaknya berkembang dalam rumpun kodependen dengan bakteri pereduksi sulfat dan spesies archaeon lain yang menghasilkan metana.

Sementara itu, di lab Schleper di Austria, hibah enam tahun pertama menyusut dan tidak ada pendanaan baru yang terlihat. Satu pascadoktoral yang ditugaskan untuk menumbuhkan organisme akhirnya meninggalkan sains. Anggota tim lainnya, seorang teknisi, telah memipet begitu banyak sehingga mereka membutuhkan pembedahan untuk carpal tunnel syndrome.

Namun, pada musim gugur 2019, budaya organisme Loki yang dimulai oleh Rodrigues-Oliveira mulai berkembang. Itu terbagi sekitar separuh waktu sebagai galur Jepang, dan mencapai kepadatan 50 hingga 100 kali lebih tinggi. Meski begitu, bekerja dengannya masih seperti membolak-balik a Dimana Waldo? buku: Dalam 36 jam pemindaian sampel melalui mikroskop elektron, kata Schleper, tim hanya menemukan 17 spesimen individu.

Desember lalu, mereka debut hasil mereka di Alam. Loki ini juga memiliki filamen seperti tentakel yang berspekulasi kelompok Schleper mungkin menjerat organisme lain dan berinteraksi dengan mereka. Mengutip tim Jepang, mereka menunjukkan bahwa tentakel terbuat dari protein, Lokiactin, yang sangat mirip dengan aktin yang digunakan sel eukariotik untuk membangun sitoskeleton pendukung. Jadi gen Lokiactin tidak hanya seperti gen eukariotik, tetapi juga melakukan fungsi seperti eukariota.

Gen Lokiactin juga muncul di setiap 172 atau lebih genom Asgard yang ditemui para ilmuwan. Itu menyiratkan bahwa nenek moyang seluruh kelompok - dan mungkin nenek moyang semua eukariota - mungkin memiliki kerangka proto yang serupa.

Jadi apa yang lab Schleper coba lakukan dengan organisme itu sekarang? "Semuanya!" katanya sambil tertawa.

Menjangkau untuk Membentuk Sel Kompleks

Dalam gambaran dua domain yang sekarang dominan di mana archaea Asgard berkontribusi, kisah besar kehidupan di planet ini berjalan seperti ini. Sekitar 4 miliar tahun lalu, kehidupan bercabang menjadi dua cabang bersel tunggal, archaea dan bakteri.

Bukti genetik menyiratkan bahwa kedua cabang itu bersilangan lagi 2 miliar tahun kemudian ketika sebuah arkeon — kemungkinan dari kelompok Asgard — entah bagaimana menelan bakteri. Proses menjinakkan apa yang dulunya merupakan sel yang berbeda dan hidup bebas dan mengubahnya menjadi organel yang disebut mitokondria yang bertahan di dalam sel eukariotik. Keturunan dari persatuan yang menentukan itu bercabang menjadi organisme bersel tunggal seperti dinoflagellata, dan kemudian menjadi makhluk multisel yang tumbuh hingga ukuran makroskopik, meninggalkan fosil, dan menjajah laut dan darat.

Tetapi bahkan ahli teori yang mendukung narasi ini termasuk dalam kubu yang terbagi. Beberapa berpendapat bahwa mendapatkan mitokondria adalah peristiwa yang menentukan dalam eukaryogenesis. Yang lain bersikeras bahwa mitokondria datang terlambat dalam transisi yang sedang berlangsung. “Anda mungkin memiliki Asgard archaea yang sudah cukup kompleks dan mirip eukariota,” kata Tom Williams, seorang ahli mikrobiologi komputasi di University of Bristol. "Kemudian mereka memperoleh mitokondria, dalam bentuk ekstrim dari pandangan ini, sebagai semacam lapisan gula pada kue."

Sejauh ini, katanya, kompleksitas Asgard meskipun kekurangan mitokondria telah mengarahkan diskusi ke pandangan yang terakhir. Tetapi data dari penelitian di Asgard juga membatasi perdebatan eukaryogenesis dengan cara lain.

Untuk satu hal, kedua Asgard yang dibudidayakan sejauh ini terbukti sulit dipisahkan dari rombongan mikroba lainnya. Seperti Loki Jepang, organisme Austria tampaknya lebih suka - bahkan bergantung pada - memiliki spesies archaeon tambahan dan bakteri pereduksi sulfat lainnya dalam kultur bersama mereka. Sarjana bekerja pada eukaryogenesis, seperti Pemurnian López-García di Pusat Penelitian Ilmiah Nasional Prancis, telah lama mempromosikan gagasan bahwa mitokondria pertama kali ditangkap dari dalam jenis ini kemitraan "sintropik"., di mana banyak spesies hidup saling bergantung.

Temuan bahwa Lokis memiliki tentakel aktin menambah kemungkinan skenario eukaryogenesis disebut model luar dalam, kata Spang dan Schleper. Pada 2014, ahli biologi sel Buzz Baum di University College London dan sepupunya, ahli biologi evolusi David Baum dari University of Wisconsin, Madison, mengusulkan sebuah gagasan yang telah mereka usung di acara-acara keluarga: bahwa eukariota pertama lahir setelah sel leluhur sederhana menjulur melewati dinding selnya. Pertama, lengan ini menjangkau ke arah bakteri simbiotik. Akhirnya mereka menutup pasangan itu, mengubahnya menjadi proto-mitokondria. Sel archaeal asli dan symbiote yang ditangkap diselimuti kerangka yang disediakan oleh lengan.

Kembali ketika Asgard archaea masih diketahui hanya dari sisa-sisa DNA lingkungan, Baum telah meminta peserta di sebuah konferensi untuk menggambar seperti apa organisme itu menurut mereka. Gambarnya sendiri berdasarkan ide-ide luar-dalam, yang meramalkan bahwa mereka akan menampilkan lengan yang menonjol, mengejutkan para ilmuwan lain yang berkumpul. Pada saat itu, kata Schleper, rasanya "sangat aneh bahwa dia membuat saran yang lucu ini".

Suasana Kompetitif

Peristiwa eukaryogenesis telah begitu dikaburkan oleh intervensi waktu dan pertukaran gen sehingga kita mungkin tidak pernah mengetahuinya dengan pasti.

Dua spesies Loki yang saat ini dalam budaya, misalnya, adalah organisme zaman modern yang berbeda dari archaea kuno dengan cara yang sama seperti kardinal yang hidup dan bernyanyi berbeda dari dinosaurus leluhur tempat ia berevolusi. Kelompok Loki bahkan bukan bagian dari Asgard archaea yang menurut analisis genetik paling dekat hubungannya dengan eukariota. (Berdasarkan genom Asgard yang diketahui, pracetak diposting oleh Ettema dan rekan-rekannya pada bulan Maret berpendapat bahwa nenek moyang eukariota adalah archaeon Heimdall.)

Tetap saja, laboratorium di seluruh dunia sedang berjudi bahwa membawa perwakilan yang lebih beragam dari kelompok Asgard ke dalam kultivasi akan menghasilkan bonanza petunjuk baru tentang nenek moyang mereka — dan — nenek moyang kita. Schleper sedang mencoba. Begitu juga Etma. Begitu juga Baum, yang mengatakan labnya akan segera menyambut rekan baru yang akan membawa botol archaea dari kelompok seperti Heimdall dan Odin. Begitu juga Imachi, yang menolak untuk diajak bicara Quanta untuk cerita ini.

“Jika saya diwawancarai oleh Anda sekarang, kemungkinan besar saya akan berbicara tentang data baru yang belum dipublikasikan,” jelasnya melalui email, menambahkan bahwa kelompoknya memuji upaya tim Schleper. “Sekarang sangat kompetitif (walaupun saya tidak suka kompetisi seperti ini),” tambahnya.

Sumber lain juga mengeluhkan atmosfer yang terlalu bertekanan. “Alangkah baiknya jika lapangan lebih terbuka untuk berbagi,” kata Spang. Tekanan paling berat menimpa para ilmuwan muda yang cenderung mengambil risiko tinggi, proyek penanaman dengan imbalan tinggi. Sukses bisa menambah bersinar Alam kertas ke resume mereka. Tetapi menyia-nyiakan waktu bertahun-tahun untuk upaya yang gagal dapat menghambat peluang mereka untuk mendapatkan pekerjaan di bidang sains. “Ini benar-benar situasi yang tidak adil,” kata Schleper.

Namun, untuk saat ini, balapan terus berlanjut. Ketika sepupu Baum menerbitkan ide mereka tentang eukaryogenesis pada tahun 2014, kata Buzz Baum, mereka menganggap kita mungkin tidak akan pernah tahu kebenarannya. Lalu tiba-tiba Asgard muncul, menawarkan kilasan baru tentang tahap liminal dan transisi yang mendorong kehidupan dari kesederhanaan sel tunggal menjadi overdrive.

“Sebelum kita menghancurkan planet yang indah ini, kita harus melihat-lihat dulu, karena ada hal-hal keren di planet Bumi yang tidak kita ketahui. Mungkin ada hal-hal semacam fosil hidup — keadaan di antaranya, ”katanya. "Mungkin ada di tirai kamar mandiku."