原始的なアスガルド細胞は、複雑さの瀬戸際にある生命を示しています

樫の木。 その根っこに絡み合った共生菌。 その枝の XNUMX つから鳴く枢機卿。 彼らの共通の祖先を知る最良の手がかりは、XNUMX 月に公開された電子顕微鏡画像にあるかもしれません。

"見て！" 微生物学者は言った クリスタ・シュレパー、ウィーン大学のウェブカメラの前で印刷された高解像度の画像を持っていると、晴れやかになりました。 「きれいでしょう？」 顕微鏡写真の細胞は、メデューサのような巻きひげの光輪に囲まれた幅 500 ナノメートルの球体でした。 彼女のチームは、この生物を初めて分離して培養しただけでなく、その揺れ動くフィラメントがアクチンでできていることを示しました。アクチンは、ほぼすべての複雑な細胞または真核生物で骨格の足場を形成するタンパク質です。

しかし、これは複雑な細胞ではありませんでした。 それはより先祖代々の原始的なものに見えました。 生体は、まず に発表され 自然は、アスガルド古細菌と呼ばれる微生物のグループを代表して成長し、詳細に研究されている XNUMX 番目の代表的なものにすぎません。 小さなスプーン一杯の海底ヘドロから成長させるのに XNUMX 年かかったのは、気まぐれな有名人のために更衣室を準備するようなものでした。 この生物は、遠心分離したり、攪拌したり、酸素にさらしたり、仲間の他の微生物から分離したり、氷河期よりも速く成長したりすることができませんでした.

何ヶ月もの間、それはまったく成長しませんでした. 「私は自分自身の科学の将来についても心配していました」と言いました。 チアゴ・ロドリゲス・オリベイラシュレパーの研究室でポスドクとして新種を育成する努力を主導し、彼自身のキャリアを単一の扱いにくい生物の気まぐれに賭けました。

アスガルド古細菌は、対処するのが耐え難いほど困難であるにもかかわらず、現在、科学において最も切望されている生物の XNUMX つであり、それには正当な理由があります。 多くの進化生物学者にとって、彼らの発見とその後の研究は、生命の木の教科書の図を修正して、私たち、および真核細胞から構築された他のすべての生き物を、アスガルド グループの単なる派生物として位置付けることを正当化します。

一方、アスガルドのゲノムの研究は、真核生物がどのように進化したかという問題に切望されていたデータをもたらしました。これは、論争の的となる議論を引き起こす地球の歴史における画期的な出来事です。 これまでの研究のほとんどは、アスガルド グループの間接的な遺伝子プローブに依存する必要がありました。これは、ルイ パスツールの時代以来の微生物学のゴールド スタンダードである、実験室で生きた微生物を刺激するのと同じ機会を提供しません。

世界中の研究所が独自のアスガルド文化を育てようとしている今、ハイステークスのスローモーション レースが繰り広げられています。 サンプルは共有されません。 成長戦略は厳重に守られた秘密です。 シュレパーチームの結果が出たとき、「私たちは正直にショックを受けました」と書いています 今町博之海洋研究開発機構の微生物学者である彼は、12 年間の厳しい努力の末、最初で現在唯一の他のアスガルド古細菌サンプルを分離しました。

彼らだけではありません。 タイス・エテマオランダのワーヘニンゲン大学の進化微生物学者は、彼の研究室がアスガルドの文化を豊かにする方向にも進んでいることをほのめかし、少なくとも10の他の研究室で同様のプロジェクトが進行中であると推測した. 「彼らは私に言わないだろう」と彼は言った。

有機体をつなぎ合わせる

アスガルド古細菌に通じる道は、XNUMX 年前に初めて暖められました。 その時、エッテマ、シュレパー、 アニャ・スパン彼は現在、アムステルダム大学の進化微生物学者であり、彼らが期待していた進化のミッシングリンクを見つけようと試みました。

生物学者は長い間、遺伝子データを使用して、既知のすべての生物を細菌、古細菌、真核生物の XNUMX つの分類学的ビンに分類してきました。 しかし、これらのグループを結びつける家系図をどのように描くかについて、彼らは激しく意見を異にしました。

カール・ウォーズ1970 年代後半に古細菌を発見した影響力のあるアメリカの微生物学者である . Woese と彼の同盟者の見解では、古細菌と真核生物は、より古い祖先の子孫である姉妹グループでした。 彼らの反対者は、真核生物が古細菌から直接進化したと主張して、細菌と古細菌だけの「XNUMXドメイン」ツリーを主張した.

キャンプが形成されました。 地位が定着した。 「どれだけ時間をさかのぼるかに関係なく、私たちの起源に関係することはすべて、人間が深く気にかけているものです」とスパングは言いました。

新しい生物が分離される何年も前に、微生物調査は、世界中の海洋堆積物中の真核生物のゲノムに疑わしいほど近いゲノムを持つ未知の古細菌グループのヒントを拾い上げました。 が主導する XNUMX つの研究 SteffenJørgensenSchleper の博士課程の学生である は、これらの謎の微生物が 2008 年に大西洋の熱水噴出孔の近くで採取された海底泥の中で繁栄していることを示しました。これらの同じサンプルからの 7.5 グラムの泥を使って、研究チームは浮遊 DNA のより長い配列を釣り上げ始めました。

彼らの中間目標は、メタゲノミクスと呼ばれる 20 年前の技術を使用して、存在する各生物から遺伝子配列を取得することでした。 何千ものパズルのピースがごちゃ混ぜになっていると想像してみてください、とSpang氏は説明しました。 まず、各パズルにどのピースが属しているかを把握します。 次に、各パズルを組み立てます。 メタゲノミクスは、泥の中に潜んでいる微生物の DNA だけを使って、このようにゲノムを組み立てることができます。

その分析、2015 年に公開された、175 つの特に挑発的なゲノムを発見しました。 それが属していた生物は、これまでに発見された中で最も真核生物に似た古細菌であると思われ、真核生物のタンパク質に非常によく似た少なくともXNUMX個のタンパク質の遺伝子を持っていました。 研究者たちは、すべての真核生物はまさにその古細菌の近縁種から発生した可能性があると主張し、この見解は生命の木の XNUMX ドメインバージョンを強く支持しています。

エッテマはその生物をロキアルケオータと名付けました。 この名前は、サンプルが採取された場所の近くにある熱水噴出孔であるロキの城にちなんで付けられました。 しかし、2015年の論文は追加の理由を示しました。 「ロキは『驚くほど複雑で、紛らわしく、相反する人物であり、無数の未解決の学術的論争の触媒となっている』と評されている」と彼らはスカンジナビア文学の学者の言葉を引用して書いた. この暗示は、複雑な細胞の起源である真核発生をめぐる論争と一致しているように思われた。

彼らの発見は、すぐに XNUMX ドメイン モデルの支持者から非難されました。 ロキ生物は実在した？ それとも、Spang はメタゲノムの謎解きを誤って行い、いくつかの異なる微生物のゲノムを XNUMX つの架空の架空の生物に混ぜ合わせたのでしょうか?

しかしすぐに、エッテマ、スパン、および他の多くの共同研究者が、世界中の温泉、帯水層、および海水と淡水の両方の堆積物で、ロキ生物の遺伝子配列に類似した遺伝子配列を発見しました。 生物は決して珍しいものではありませんでした。 彼らはただ見過ごされていました。

科学者たちは、新興のグループに北欧神話のテーマに沿った新しい名前を付けました—オーディン、トール、ヘル、ヘイムダル—そして、北欧の神々の故郷にちなんで、領域全体をアスガルド古細菌と呼びました。 追加のゲノムには、多くの真核生物のようなタンパク質も含まれているようであり、アスガルドの祖先から真核生物の枝が発芽した生命の木の XNUMX ドメイン バージョンをさらにサポートしました。

それでも、生命の家系図のどこで真核発生が起こったかを解明しても、そのプロセスがどのように展開したかについての議論はほとんど解決されませんでした。 生物学者は、アスガルド古細菌の生きた例を研究することで、DNA の断片を見て収集できるよりも多くの洞察が得られるのではないかと考えていました。 2015 年、アスガルド グループが発見された直後に、シュレパーはオーストリアでロキの栽培を試み始めました。

しかし、彼らには知られていないが、日本で栽培されているものは、非常にゆっくりと、すでに増殖していた.

手に入りにくい微生物

「私のファーストネーム、ヒロは『寛容』という意味です」と今町は語った。 クアンタ 2020年のインタビューで。 「寛容で忍耐強くあることは、何と言うか、私の人生において重要だと思います。」

2006 年、日本沖で有人潜水艇 しんかい6500 2.5 キロメートルの海底にある海溝の底から、黒色の硫黄を含む堆積物のコアを掘削しました。 その年の後半、今町はこの堆積物の一部を、深海環境をシミュレートできるバイオリアクターに入れました。 彼は発展途上国の下水処理システムの機器を改造しました。 それから彼は落ち着いて、この奇妙な庭がどのように成長するかを見ました。

メタゲノミクスは、既知の培養可能な生物全体が、自然の真の微生物多様性のほんの一部にすぎないことをすでに明らかにしていました. 当時大学院を卒業して数年だった今町は、すべての微生物を培養に持ち込むという奇抜な目標にキャリアを捧げていました。 しかし、ロキのようなものを実験室で研究するために育てるには、いくつかの困難なハードルを一度にクリアする必要があります。

まず、海底泥の小さな破片には何百もの微生物種が生息しています。 不要なバクテリアを除去するために、バクテリアには致命的ですが、古細菌には耐性のある抗生物質を加えることができます。 しかし、抗生物質は、対象の古細菌がなくては生きていけない共生細菌種も殺す可能性があります。 したがって、致死率が適切な治療法を見つけるには、さまざまな濃度のさまざまな抗生物質を試してみる必要があります。

第二に、標的生物が繁栄するための栄養素、培地、堆積物の適切な混合物を見つけなければなりません。 . 幸せなとき、今町が育てていた生物はXNUMX、XNUMX週間にXNUMX回くらい分裂する。 比較すると、 大腸菌、多くの微生物学研究室のバクテリアの働き者は、わずか20分で必然的に倍増します.

彼らのサンプルがイマチのバイオリアクターに入ってから2015年半後、日本のチームは内部で成長しているものを小さなガラス管に接種した. 約 XNUMX 年後、彼らは抗生物質を投与した XNUMX 本のチューブ内にかすかな生命の兆候があることに気付きました。 それから彼らは、XNUMX年にSpangが発表したLokiarcheotaグループのものと一致する配列を持っていたターゲットをより高い濃度にプッシュしようとし始めました.

2019 年の夏、原稿をプレプリント サーバーにアップロードする直前に、今町は Ettema にドラフト ペーパーを送信しました。 彼らの成功を発表. エッテマは、何年にもわたって遺伝子配列を調べてきた生き物を初めて見たときのことを思い出しました。 「それは別の惑星から来た生物のように見えました」と彼は言いました。 「私はそのようなものを見たことがない。」

日本のグループの電子顕微鏡画像は、ロキ生物が実在するのか、それともメタゲノミクスのアーティファクトなのかという議論に終止符を打った。 しかし、彼らの研究は、ロキ古細菌に関する XNUMX つの重要な新しい発見も確立しました。それは、この生物が小さな腕で自分自身を取り囲んでいること、そして、硫酸塩を還元する細菌や、メタンを生成する別の種の古細菌と共依存する塊の中で繁栄しているように見えることです。

一方、オーストリアにある Schleper の研究室では、最初の XNUMX 年間の助成金が減少し、新たな資金提供が見込めなくなりました。 生物を育てる仕事に割り当てられたXNUMX人のポスドクは、最終的に科学を辞めました。 別のチーム メンバーである技術者は、手根管症候群の手術が必要なほどピペッティングを行っていました。

しかし、2019 年の秋、ロドリゲス・オリベイラによって開始されたロキ生物の培養が少しずつ進み始めました。 日本株の約半分の時間で分裂し、50～100倍の密度に達した。 それでも、それを扱うことは、ページをめくるようなものになる可能性があります ウォーリーはどこ？ book: Schleper 氏によると、電子顕微鏡でサンプルをスキャンした 36 時間で、チームはわずか 17 個の標本を発見しました。

昨年XNUMX月、彼らはその結果を 自然. このロキにも触手のようなフィラメントがあり、シュレパーのグループはそれが他の生物に絡みつき、相互作用する可能性があると推測している. 日本のチームをすくい上げて、彼らは触手がタンパク質、ロキアクチンでできていることを示しました。これは、真核細胞が支持的な細胞骨格を構築するアクチンに非常に似ています. つまり、ロキアクチン遺伝子は真核生物の遺伝子に似ているだけでなく、真核生物に似た機能を果たします。

Lokiactin 遺伝子は、科学者が遭遇した約 172 の Asgard ゲノムのすべてにも出現します。 これは、グループ全体の祖先、そしておそらくすべての真核生物の祖先が、同様の原始骨格を持っていた可能性があることを意味します.

では、シュレパーの研究室は現在、生物をどうしようとしているのでしょうか? "すべての！" 彼女は笑いながら言った。

複雑な細胞を形成するために手を差し伸べる

アスガルドの古細菌が貢献している現在優勢な 4 つのドメインの図の中で、この地球上の生命の大きな物語は次のようになります。 約 XNUMX 億年前、生命は古細菌とバクテリアという XNUMX つの単細胞枝に分岐しました。

遺伝的証拠によると、2億年後、おそらくアスガルド族の古細菌が何らかの形で細菌を摂取したときに、XNUMXつの枝が再び交差したことが示唆されています。 このプロセスは、かつては明確で自由に生きていた細胞を飼いならし、真核細胞内に存在するミトコンドリアと呼ばれるオルガネラに変えました. その運命的な結合の子孫は、渦鞭毛藻のような他の単細胞生物に分岐し、その後巨視的なサイズに成長し、化石を残し、海と陸の両方にコロニーを形成した多細胞生物に分岐しました.

しかし、この物語の背後に立つ理論家でさえ、分裂した陣営に属しています。 ミトコンドリアの獲得が真核発生における決定的な出来事であると主張する人もいます. 他の人は、ミトコンドリアが進行中の移行の後半に到着したと主張しています. 「すでに非常に複雑で真核生物に似たアスガルド古細菌を持っていた可能性があります」と彼は言いました。 トム・ウィリアムズ、ブリストル大学の計算微生物学者。 「それから彼らは、この見方の極端な形で、ケーキの上の一種のアイシングとしてミトコンドリアを獲得しました。」

これまでのところ、ミトコンドリアの欠如にもかかわらず、アスガルドの複雑さは議論を後者の見解に傾けている. しかし、アスガルドに関する研究から得られたデータは、真核発生に関する議論を別の形で制約しています。

一つには、これまでに栽培された両方のアスガルドは、他の微生物の側近から分離するのが難しいことが証明されています. 日本のロキのように、オーストリアの生物は、余分な種の古細菌と別の硫酸塩還元細菌を一緒に培養することを好み、それに依存しているようです. などの真核発生に取り組んでいる学者 プリフィカシオン ロペス ガルシア フランス国立科学研究センターでは、ミトコンドリアが最初にこの種の細胞内から捕獲されたという考えを長い間推進してきました。 「シントロピック」パートナーシップ、複数の種が相互に依存して生活しています。

ロキがアクチン触手を持っているという発見は、真核発生のシナリオに妥当性を追加します インサイドアウトモデル、スパンとシュレパーは言った。 2014 年、細胞生物学者 バズバウム ユニバーシティ カレッジ ロンドンで、彼のいとこである進化生物学者 デビッドバウム ウィスコンシン大学マディソン校の教授らは、家族のイベントで飛び交ったアイデアを提案しました。最初の真核生物は、単純な祖先細胞が細胞壁を越えて突起を伸ばした後に生まれたというものです。 最初に、これらのアームは共生細菌に向かって到達しました。 最終的に彼らはそのパートナーの周りに閉じこもり、それをプロトミトコンドリアに変えました. 元の古細菌細胞と捕獲された共生生物の両方が、腕によって提供された骨格に包まれていました。

アスガルド古細菌がまだ環境 DNA の断片からしか知られていない時代に、バウムは会議の出席者に、生物がどのように見えると思うかを描くように求めていました。 裏返しの考えに基づいた彼自身の絵は、突き出た腕をスポーツすることを予測し、他の集まった科学者を驚かせました。 当時、シュレパー氏は、「彼がこの面白い提案をするのはとても奇妙に思えた」と語った。

競争的な雰囲気

真核発生の事象は、介入時間と遺伝子交換によって非常に曖昧になっているため、確実に知ることはできない.

たとえば、現在培養されている XNUMX 種のロキは、現代の生物であり、古代の古細菌とは異なります。これは、生きて歌う枢機卿が進化元の祖先の恐竜と異なるのと同じようにです。 ロキ グループは、遺伝子分析が真核生物に最も密接に関連していると示唆しているアスガルド古細菌のサブセットでさえありません。 (既知のアスガルドのゲノムに基づいて、 プレプリント Ettema と彼の同僚は XNUMX 月に投稿し、真核生物の祖先はヘイムダル古細菌であると主張した.)

それでも、世界中の研究所は、アスガルド グループのより多様な代表者を育成することで、彼らの、そして私たちの共通の祖先に関する新たな手がかりが得られると賭けています。 シュレパーは努力しています。 エテマもそうです。 バウムも同様で、ヘイムダルやオーディンのようなグループから古細菌のバイアルを持ってくる新しい同僚を、彼の研究室は間もなく歓迎すると語った. 話すことを拒否した今町もそうです クアンタ この物語のために。

「もし私が今あなたにインタビューされるとしたら、おそらくまだ公開されていない新しいデータについて話すでしょう」と彼は電子メールで説明し、彼のグループはシュレパーチームの努力を称賛したと付け加えた. 「今は非常に競争が激しいです（私はこの種の競争は好きではありませんが）」と彼は付け加えました。

他の情報源も過度に圧力がかかった大気を嘆いています。 「この分野が共有に対してもっと開かれていればいいのですが」とスパングは言いました。 このプレッシャーは、ハイリスク・ハイリターンの栽培プロジェクトに取り組む傾向のある若い科学者に最も重くのしかかっています。 成功は輝きを加えることができます 自然 彼らの履歴書に紙。 しかし、失敗した努力で何年も無駄にすると、科学の仕事に就ける可能性が低くなる可能性があります。 「これは本当に不公平な状況です」とシュレパーは言いました。

しかし、今のところ、レースは続いています。 2014 年に Baum のいとこたちが真核発生についての考えを発表したとき、Buzz Baum は、私たちがおそらく真実を知ることは決してないだろうと彼らは思っていたと述べた. その後、突然アスガルドが現れ、生命を単細胞の単純さからオーバードライブへと押し上げた境界の移行段階を新たに垣間見ることができました。

「この美しい惑星を破壊する前に、少し調べてみる必要があります。なぜなら、地球には私たちが何も知らないクールなものがあるからです。 たぶん、生きた化石のようなもの、つまりその中間の状態が存在するでしょう」と彼は言いました。 「多分それは私のシャワーカーテンにあります。」