תאי אסגרד פרימיטיביים מראים חיים על סף המורכבות

עץ אלון. הפטרייה הסימביוטית שזורה בשורשיה. ציוץ קרדינל מאחד מענפיו. הרמז הכי טוב שלנו עד כה לאב הקדמון המשותף שלהם אולי הגיע בתמונות מיקרוסקופ אלקטרוני שנחשפו בדצמבר.

"תראה!" אמר המיקרוביולוג כריסטה שלפר, קורנת כשהיא מחזיקה תמונה מודפסת ברזולוציה גבוהה מול מצלמת האינטרנט שלה באוניברסיטת וינה. "זה לא יפה?" התאים במיקרוגרף היו כדורים ברוחב 500 ננומטר המוקפים בהילה דמוית מדוזה של קנוקנות. הצוות שלה לא רק בודד וטיפח את האורגניזם בפעם הראשונה אלא הראה שהחוטים המתנפצים שלו עשויים מאקטין, החלבון שיוצר פיגום שלד כמעט בכל התאים המורכבים, או האוקריוטים.

אבל זה לא היה תא מורכב. זה נראה יותר קדום, קדמון. האורגניזם, קודם כל פורסם ב טבע, הוא רק הנציג השני של קבוצת חיידקים בשם Asgard archaea לגידול ולמחקר בפירוט. לשדל אותו לגדול מתוך כפית זעירה של בוצה מקרקעית הים, שלקח שש שנים, היה כמו להכין חדר הלבשה לסלבריטאי טמפרמנטלי. לא ניתן היה לצנטרל את האורגניזם, לערבב אותו, לחשוף אותו לחמצן, להפריד אותו מכמה חיידקים אחרים שהוא מתחבר איתם, או למהר לגדול מהר יותר מקצב קרחוני.

במשך חודשים הוא אפילו לא גדל בכלל. "דאגתי גם לעתיד שלי במדע," אמר טיאגו רודריגס-אוליביירה, שהוביל את המאמץ לטפח את המין החדש כפוסט דוקטורט במעבדתו של שלפר, תוך הימור על הקריירה שלו על גחמותיו של אורגניזם יחיד וסורר.

עד כמה שקשה מאוד להתמודד איתם, ארכיאה של אסגרד הם כעת בין האורגניזמים הנחשקים ביותר במדע, ומסיבה טובה. בעיני ביולוגים אבולוציוניים רבים, הגילוי שלהם והמחקרים הבאים מצדיקים תיקון של תמונות ספרי הלימוד של עץ החיים כדי למקם אותנו - וכל יצור אחר שנבנה מתאי אוקריוטים - כנצר בלבד של קבוצת אסגארד.

מחקרים על גנומים של אסגרד, בינתיים, הביאו נתונים נחוצים לשאלה כיצד התפתחו האוקריוטים, אירוע אפוקולי בהיסטוריה של כדור הארץ שמעורר ויכוחים מעוררי מחלוקת. רוב המחקרים עד כה נאלצו להסתמך על בדיקות גנטיות עקיפות של קבוצת אסגרד, שאינן מציעות את אותן הזדמנויות כמו לדרבן חיידקים חיים במעבדה, תקן הזהב במיקרוביולוגיה מאז ימיו של לואי פסטר.

כעת מתקיים מירוץ בהילוך איטי עם הימור גבוה, כאשר מעבדות ברחבי העולם מנסות לגדל את תרבויות האסגרד שלהן. דוגמאות אינן משותפות; אסטרטגיות צמיחה הן סודות שמורים היטב. "היינו המומים באמת" כאשר התוצאות של צוות שלפר יצאו, נכתב הירויוקי אימאצ'י, המיקרוביולוג בסוכנות היפנית למדע וטכנולוגיה ימית-אדמה, אשר, לאחר מאמץ מפרך של 12 שנים, בודד את הדגימה הראשונה והיחידה האחרת של אסגרד.

הם לא היחידים. ת'ייס אטמה. "הם לא היו מספרים לי," הוא אמר.

חיבור אורגניזם

השביל שהוביל ל-Asgard archaea התחמם לראשונה לפני עשור. זה היה כאשר צוות כולל את אטמה, שלפר ו אנג'ה ספאנג, שהוא כיום מיקרוביולוג אבולוציוני באוניברסיטת אמסטרדם, יצא למצוא את מה שהם קיוו שיהיה חוליה חסרה אבולוציונית.

ביולוגים השתמשו זה מכבר בנתונים גנטיים כדי למיין את כל האורגניזמים המוכרים לשלושה פחים טקסונומיים: חיידקים, ארכאים ואיקריוטים. אבל הם חלקו בקול רם על איך לצייר את אילן היוחסין שאמור לקשר את הקבוצות הללו יחד.

קארל ווס, המיקרוביולוג האמריקאי רב ההשפעה שגילה את הארכיאה בסוף שנות ה-1970, קבע ששלוש הקבוצות עמדו בפני עצמן, כל אחת בכבוד, מייצגות "תחומי חיים" מובהקים. לדעת ווס ובני בריתו, הארכאים והאוקריוטים היו קבוצות אחיות שמקורן באולד מבוגר יותר. המתנגדים שלהם טענו לעץ "דו תחומים" של רק חיידקים וארכיאה, וטענו שאאוקריוטים התפתחו ישירות מהארכאים.

נוצרו מחנות; עמדות התבססו. "כל מה שקשור למוצא שלנו, ללא תלות בכמה אתה חוזר אחורה בזמן, הוא משהו שמאוד אכפת לבני אדם", אמר ספאנג.

שנים לפני שהאורגניזמים החדשים בודדו, סקרים של חיידקים קלטו רמזים לקבוצה לא ידועה של ארכיאה עם גנומים קרובים באופן מחשיד לאלו של איקריוטים במשקעים ימיים ברחבי העולם. מחקר אחד, בראשות סטפן יורגנסן, הדוקטורנט של שלפר, הראה שהחיידקים המסתוריים הללו משגשגים בבוץ קרקעית הים שנאסף ליד פתח הידרותרמי באוקיינוס ​​האטלנטי בשנת 2008. בעבודה עם 7.5 גרם של בוץ מאותן דגימות, הצוות החל לדוג רצפים ארוכים יותר של DNA תועה.

מטרת הביניים שלהם הייתה להשתמש בטכניקה בת 20 שנה בשם מטאגנומיקה כדי להשיג רצפים גנטיים מכל אורגניזם שנמצא. תאר לעצמך שיש לך ערימה מעורבת של חלקים מאלפי פאזלים, הסביר ספאנג. ראשית אתה מבין אילו חלקים שייכים לכל פאזל. ואז אתה מחבר כל פאזל ביחד. מטאנומיקה יכולה להרכיב גנומים כך, עובדת רק מה-DNA של חיידקים האורבים בבוץ.

הניתוח הזה, שפורסם ב-2015, חשף גנום פרובוקטיבי אחד במיוחד. האורגניזם שאליו היה שייך נראה כארכיאון הכי דמוי אוקריוט שהתגלה אי פעם, עם גנים של לפחות 175 חלבונים שדומים מאוד לחלבונים אוקריוטיים. החוקרים טענו שייתכן שכל האיקריוטים נבעו מקרוב משפחה של אותו ארכיאון, השקפה התומכת מאוד בגרסה דו-התחומים של עץ החיים.

אטמה קרא לאורגניזם Lokiarcheota. השם היה קריצה לטירת לוקי, תצורת הפתח ההידרותרמי ליד המקום שבו נאספו הדגימות. אבל העיתון של 2015 נתן סיבה נוספת. "לוקי תואר כ'דמות מורכבת להפליא, מבלבלת ואמביוולנטית, שהייתה הזרז של אינספור מחלוקות מדעיות בלתי פתורות", הם כתבו, וציטטו חוקר ספרות סקנדינבית. נראה שהרמיזה התאימה למחלוקת סביב האוקריוגנזה, מקורם של תאים מורכבים.

הגילוי שלהם ספג עד מהרה אש מצד תומכי המודל של שלושת התחומים. האם האורגניזמים של לוקי באמת קיימים? או שמא שפאנג ביצע את פתרון החידה המטגנומי לא נכון וערבב את הגנום של כמה חיידקים שונים ליצור כימרי, דמיוני אחד?

אבל עד מהרה אטמה, ספאנג ומשתפי פעולה רבים אחרים חשפו רצפים גנטיים הדומים לזה של האורגניזם לוקי במעיינות חמים, באקוויפרים ובמשקעי מים מלוחים ומים מתוקים כאחד ברחבי העולם. האורגניזמים לא היו נדירים כלל. פשוט התעלמו מהם.

מדענים העניקו לקבוצות המתפתחות שמות חדשים שנשמרו על נושא המיתולוגיה הנורדית - אודין, תור, הל, היימדל - והתייחסו לכל הממלכה כאל ארכיאה של אסגרד, על שם ביתם של האלים הנורדיים. נראה שהגנומים הנוספים כללו גם חלבונים דמויי אוקריוטים רבים, שתמכו עוד יותר בגרסה הדו-דומייןית של עץ החיים שבה הענף האיקריוטי שלנו נבט מאב קדמון של אסגרד.

למרות זאת, הפתרון היכן התרחש אאוקריוגנזה באילן היוחסין של החיים לא הצליח לפתור ויכוחים על האופן שבו תהליך זה התפתח. ביולוגים חשדו שחקר דוגמאות חיות של ארכיאה של Asgard עשויה להניב יותר תובנות ממה שהם יכולים להסיק מהסתכלות על שברי DNA. ב-2015, זמן קצר לאחר שהתגלתה קבוצת אסגארד, החל שלפר לנסות לגדל לוקי באוסטריה.

עם זאת, מבלי שכולם ידעו, אחד כבר התרבה, לאט כל כך, בטיפוח ביפן.

מיקרוב שמשחק קשה להשגה

"פירוש השם הפרטי שלי, הירו, הוא 'סובלני'", אמר אימאצ'י Quanta בראיון לשנת 2020. "אני חושב ש[להיות] סובלני וסבלני זה - איך לומר זאת - חשוב בחיי."

בשנת 2006, מול חופי יפן, צוללת צוותת בשם שינקאי 6500 קדח ליבה של משקעים שחורים וגפריתיים מתוך רצפת תעלה מתחת ל-2.5 קילומטרים של אוקיינוס. מאוחר יותר באותה שנה, אימאצ'י הכניס חלק מהמשקעים האלה לתוך ביו-ריאקטורים שיכולים לדמות סביבה של ים עמוק; הוא התאים את הציוד ממערכות טיהור שפכים למדינות מתפתחות. ואז הוא התיישב לראות מה הגן המוזר הזה עלול לצמוח.

מטאגנומיקה כבר גילתה כי מכלול האורגניזמים הניתנים לתרבות ידועים מייצגים רק חלק קטן מהמגוון המיקרוביאלי האמיתי של הטבע. אימאצ'י, אז כמה שנים מחוץ לבית הספר לתארים מתקדמים, הקדיש את הקריירה שלו למטרה הקוויזוטית להביא את כל החיידקים לטיפוח. עם זאת, כדי לגדל משהו כמו לוקי למחקר מעבדה, יהיה צורך לפנות כמה מכשולים מרתיע בבת אחת.

ראשית, כל פיסת בוץ קטנה של קרקעית הים מארחת מאות מינים של חיידקים. כדי להסיר חיידקים לא רצויים, אתה יכול להוסיף אנטיביוטיקה, אשר קטלנית לחיידקים אך נסבלת על ידי ארכיאה. אבל האנטיביוטיקה עשויה גם להרוג מיני חיידקים סימביוטיים שארכיאון היעד שלך לא יכול לחיות בלעדיהם. אז יש צורך להתנסות באנטיביוטיקה שונות בריכוזים שונים כדי למצוא טיפול קטלני בלבד.

שנית, עליך למצוא את התמהיל הנכון של חומרים מזינים, מדיום ומשקעים כדי שאורגניזם המטרה שלך ישגשג בו. לבסוף, עליך לחכות ולחכות עד שהמטרה תגדל לריכוזים גבוהים מספיק כדי למצוא תחת מיקרוסקופ אלקטרונים או להתנסות ב . כשהוא מאושר, האורגניזם שאימאצ'י טיפח מתחלק בערך אחת לשבועיים או שלושה. בהשוואה, חיידקי Escherichia, סוס העבודה החיידקי במעבדות מיקרוביולוגיה רבות, מכפיל את עצמו בחובה תוך 20 דקות בלבד.

חמש שנים וחצי לאחר שהדגימות שלהם נכנסו לביוריאקטור של אימאצ'י, הצוות היפני חיסן את כל מה שגדל בפנים לתוך צינורות זכוכית קטנים. לאחר כשנה, הם הבחינו בסימני חיים חלשים בתוך צינורית אחת עם מנת אנטיביוטיקה. ואז הם התחילו לנסות לדחוף את המטרה שלהם - שלדעתם יש רצפים תואמים לאלה של קבוצת Lokiarcheota שספאנג פרסמה ב-2015 - לריכוזים גבוהים יותר.

בקיץ 2019, זמן קצר לפני העלאת כתב היד שלהם לשרת טרום-הדפסה, אימאצ'י שלח לאטמה טיוטת נייר מכריזים על הצלחתם. אטמה נזכר בהצצה הראשונה שלו ליצור אותו חקר דרך רצפים גנטיים במשך שנים. "זה נראה כמו אורגניזם מכוכב אחר", אמר. "מעולם לא ראיתי דבר כזה."

תמונות מיקרוסקופ האלקטרונים של הקבוצה היפנית סיימו את הוויכוח בשאלה האם האורגניזם לוקי היה אמיתי או חפץ של מטאנומיה. אבל עבודתם גם ביססה שתי תגליות חדשות ומכריעות על הארכאה של לוקי: שהאורגניזם הקיף את עצמו בזרועות זעירות, ושנראה שהוא משגשג בגושים תלויים יחד עם חיידק מפחית סולפט ומין אחר של ארכאון שיצר מתאן.

בינתיים, במעבדה של שלפר באוסטריה, המענק הראשוני לשש שנים הלך והתמעט ולא נראה באופק מימון חדש. פוסט דוקטורט אחד שהוטל על המשימה של גידול האורגניזם בסופו של דבר עזב את המדע. חבר צוות אחר, טכנאי, עשה פיפטה כל כך הרבה שהם נזקקו לניתוח לתסמונת התעלה הקרפלית.

עם זאת, בסתיו 2019, תרבות של אורגניזם לוקי שהתחיל על ידי רודריגס-אוליביירה החלה להתקדם. הוא התחלק בכמחצית מהזמן מהזן היפני, והוא הגיע לצפיפות גבוהה פי 50 עד 100. למרות זאת, העבודה עם זה עדיין יכולה להיות כמו לדפדף דרך א איפה וולדו? ספר: ב-36 שעות של סריקת דגימות דרך מיקרוסקופ אלקטרונים, אמר שלפר, הצוות הבחין ב-17 דגימות בודדות בלבד.

בדצמבר האחרון הם הציגו לראשונה את התוצאות שלהם טבע. גם ללוקי הזה היו חוטים דמויי מחושים שקבוצתו של שלפר משערת שהם עלולים לסבך אורגניזמים אחרים ולקיים איתם אינטראקציה. בחיפוש אחר הצוות היפני, הם הראו שהמחושים עשויים מחלבון, לוקיאקטין, הדומה מאוד לאקטין שבעזרתו תאים אוקריוטיים בונים שלד ציטוני תומכים. אז לא רק שהגן Lokiactin הוא כמו גן אוקריוטי, אלא שהוא מבצע פונקציה דמוית אוקריוט.

הגן לוקיאקטין מופיע גם בכל אחד מ-172 הגנומים של אסגרד לערך שמדענים נתקלו בהם. זה מרמז שלאב הקדמון של כל הקבוצה - ואולי לאב הקדמון של כל האיקריוטים - היה אולי פרוטו-שלד דומה.

אז מה המעבדה של שלפר מנסה לעשות עם האורגניזם עכשיו? "הכל!" היא אמרה וצחקה.

הושט יד כדי ליצור תאים מורכבים

בתוך התמונה הדו-תחומית הדומיננטית כעת שאליה תורמת ארכיאה של אסגרד, הסיפור הגדול של החיים על הפלנטה הזה הולך בערך כך. לפני כ-4 מיליארד שנים, החיים התפצלו לשני ענפים חד-תאיים, הארכיאה והחיידקים.

עדויות גנטיות מרמזות ששני הענפים חצו שוב 2 מיליארד שנים מאוחר יותר כאשר ארכיאון - ככל הנראה מקבוצת אסגארד - בלעה איכשהו חיידק. התהליך ביית את מה שהיה פעם תא מובחן וחי חופשי והפך אותו לאברונים הנקראים מיטוכונדריה המתמשכים בתוך תאים אוקריוטיים. צאצאיו של אותו איחוד גורלי הסתעפו לאורגניזמים חד-תאיים אחרים כמו דינופלגלטים, ולאחר מכן ליצורים רב-תאיים שגדלו לגדלים מקרוסקופיים, השאירו מאחור מאובנים והתיישבו הן בים והן ביבשה.

אבל גם תיאורטיקנים שעומדים מאחורי הנרטיב הזה שייכים למחנות מפולגים. יש הטוענים שהשגת מיטוכונדריה הייתה האירוע המכונן באוקריוגנזה. אחרים מתעקשים שהמיטוכונדריה הגיעה באיחור במעבר מתמשך. "יכול להיות שהיה לך ארכיאה של אסגרד שכבר היו די מורכבות ודי דמויות אוקריוטיות," אמר טום וויליאמס, מיקרוביולוג חישובי באוניברסיטת בריסטול. "ואז הם רכשו מיטוכונדריה, בצורה קיצונית של השקפה זו, כמעין דובדבן שבקצפת."

עד כה, הוא אמר, המורכבות של האסגרדים למרות היעדר המיטוכונדריה שלהם הטה את הדיון לעבר התפיסה האחרונה. אבל הנתונים מהמחקר על Asgards הגבילו גם את הדיון באוקריוגנזה בדרכים אחרות.

ראשית, שני האסגרדים שטופחו עד כה הוכיחו שקשה להיפרד מפמליה של חיידקים אחרים. בדומה ללוקי היפני, נראה שהאורגניזמים האוסטריים מעדיפים - אפילו תלויים - בתרבות איתם זן נוסף של ארכיאון ועוד חיידק מפחית סולפט. חוקרים העובדים על אוקריוגנזה, כגון Purificación López-García במרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי, קידמו זה מכבר את הרעיון שהמיטוכונדריה נלכדה לראשונה מבפנים בדיוק מסוג זה של שותפות "סינטרופית"., שבו מינים מרובים חיים בתלות הדדית.

הממצא שללוקיס יש זרועות אקטין מוסיף סבירות לתרחיש איקריוגנזה הנקרא הדגם הפנימי החוצה, אמרו ספאנג ושלפר. בשנת 2014, הביולוג התא באז באום באוניברסיטת קולג' בלונדון ובן דודו, הביולוג האבולוציוני דוד באום מאוניברסיטת ויסקונסין, מדיסון, הציעו רעיון שהם פתחו באירועים משפחתיים: שהאאוקריוטים הראשונים נולדו לאחר שתא קדמון פשוט הרחיב בליטות מעבר לדפנות התא שלו. תחילה זרועות אלה הגיעו לעבר חיידק סימביוטי. בסופו של דבר הם סגרו סביב השותף הזה, והפכו אותו לפרוטו-מיטוכונדריון. גם התא הארכאי המקורי וגם הסימביוט שנלכד היו עטופים בתוך שלד שסופק על ידי הזרועות.

עוד כאשר ארכיאה של אסגרד עדיין הייתה מוכרת רק משאריות של DNA סביבתי, באום ביקש מהמשתתפים בכנס לצייר איך הם חושבים שהאורגניזמים ייראו. הציור שלו המבוסס על רעיונות מבפנים החוצה, שניבא שהם יציגו זרועות בולטות, הפתיע את המדענים האחרים שנאספו. בזמנו, אמר שלפר, זה נראה "כל כך מוזר שהוא מציע את ההצעה המצחיקה הזו".

אווירה תחרותית

אירועי האוקריוגנזה הוסתרו כל כך על ידי זמן התערבות והחלפת גנים, שאולי לעולם לא נדע אותם בוודאות.

שני מיני הלוקי הנמצאים כיום בתרבות, למשל, הם אורגניזמים מודרניים הנבדלים מארכיאה עתיקה באותו אופן שבו קרדינל חי ושר שונה מהדינוזאור הקדמוני שממנו הוא התפתח. קבוצת לוקי היא אפילו לא תת-הקבוצה של ארכיאה של אסגרד שניתוחים גנטיים מראים כי היא קשורה באופן הדוק ביותר לאאוקריוטים. (בהתבסס על גנומים ידועים של אסגרד, הדפס מקדים שפורסם על ידי אטמה ועמיתיו במרץ, טענו כי האב הקדמון של האוקריוטים הוא ארכיאון היימדל.)

ובכל זאת, מעבדות ברחבי העולם מהמרות שהבאת נציגים מגוונים יותר של קבוצת אסגרד לטיפוח תניב בוננזה של רמזים חדשים על האב הקדמון המשותף שלהם - ושלנו. שלפר מנסה. כך גם אטמה. כך גם באום, שאמר שהמעבדה שלו מברכת בקרוב עמית חדש שיביא בקבוקונים של ארכיאה מקבוצות כמו היימדל ואודין. כך גם אימאצ'י, שסירב לדבר איתו Quanta לסיפור הזה.

"אם הייתי מתראיין איתך עכשיו, סביר להניח שהייתי מדבר על נתונים חדשים שעדיין לא פורסמו", הסביר באימייל, והוסיף כי קבוצתו מוחאת כפיים למאמצים של צוות שלפר. "זה מאוד תחרותי עכשיו (למרות שאני לא אוהב תחרות מהסוג הזה)", הוסיף.

גם מקורות אחרים קוננו על האווירה הלוחצת מדי. "יהיה נחמד אם השדה יהיה פתוח יותר לשיתוף", אמר ספאנג. הלחץ מכביד על המדענים הצעירים הנוטים לקחת על עצמם את פרויקטי הטיפוח בעלי הסיכון הגבוה ותגמול גבוה. הצלחה יכולה להוסיף זוהר טבע נייר לקורות החיים שלהם. אבל בזבוז שנים על מאמץ כושל יכול להפחית את סיכוייהם לקבל אי פעם עבודה במדע. "זה באמת מצב לא הוגן," אמר שלפר.

בינתיים, המרוץ נמשך. כשבני הדודים של באום פרסמו את רעיונותיהם לגבי אוקריוגנזה ב-2014, אמר באז באום, הם הניחו שכנראה לעולם לא נדע את האמת. ואז לפתע הופיעו ה-Asgards, והציעו הצצות חדשות לשלבי המעבר הלימינליים שהקפיצו את החיים מפשטות חד-תאית לדרייב יתר.

"לפני שנשמיד את כוכב הלכת היפה הזה, כדאי שנסתכל קצת, כי יש דברים מגניבים על כדור הארץ שאנחנו לא יודעים עליהם כלום. אולי יש דברים שהם סוג של מאובנים חיים - מצבים ביניהם", אמר. "אולי זה על וילון המקלחת שלי."