Primitieve Asgard-cellen tonen leven op de rand van complexiteit

Een eik. De symbiotische schimmel verweven met zijn wortels. Een kardinaal tjirpt uit een van zijn takken. Onze beste aanwijzing tot nu toe voor hun gedeelde voorouder is mogelijk afkomstig uit elektronenmicroscoopbeelden die in december werden onthuld.

"Kijk!" zei de microbioloog Christa Schleper, stralend terwijl ze een afgedrukte afbeelding met hoge resolutie voor haar webcam hield aan de Universiteit van Wenen. "Is het niet prachtig?" De cellen in de microfoto waren bollen van 500 nanometer breed omgeven door een Medusa-achtige halo van ranken. Haar team had het organisme niet alleen voor het eerst geïsoleerd en gekweekt, maar ook aangetoond dat de zwaaiende filamenten waren gemaakt van actine, het eiwit dat een skelet vormt in bijna alle complexe cellen of eukaryoten.

Maar dit was geen complexe cel. Het zag er meer voorouderlijk, primordiaal uit. Het organisme, eerst gepubliceerd NATUUR, is pas de tweede vertegenwoordiger van een groep microben genaamd Asgard archaea die in detail wordt gekweekt en bestudeerd. Het overhalen om uit een klein lepeltje zeebodemslib te groeien, wat zes jaar duurde, was als het voorbereiden van een kleedkamer voor een temperamentvolle beroemdheid. Het organisme kon niet worden gecentrifugeerd, geroerd, blootgesteld aan zuurstof, gescheiden van een paar andere microben waarmee het omringt, of sneller groeien dan in een glaciaal tempo.

Maandenlang groeide het zelfs helemaal niet. "Ik maakte me ook zorgen over mijn eigen toekomst in de wetenschap", zei hij Thiago Rodrigues-Oliveira, die als postdoc in het laboratorium van Schleper de leiding had over de poging om de nieuwe soort te cultiveren, waarbij hij zijn eigen carrière wedde op de grillen van een enkel, recalcitrant organisme.

Hoe verschrikkelijk moeilijk ze ook zijn om mee om te gaan, de Asgard archaea behoren nu tot de meest begeerde organismen in de wetenschap, en terecht. Voor veel evolutiebiologen rechtvaardigen hun ontdekking en daaropvolgende studies het herzien van de afbeeldingen in het leerboek van de boom des levens om ons – en elk ander wezen dat is opgebouwd uit eukaryotische cellen – te situeren als louter uitlopers van de Asgard-groep.

Studies van het Asgard-genoom hebben ondertussen de broodnodige gegevens opgeleverd over de vraag hoe eukaryoten evolueerden, een baanbrekende gebeurtenis in de geschiedenis van de aarde die aanleiding geeft tot controversiële debatten. De meeste onderzoeken tot nu toe waren afhankelijk van indirecte genetische sondes van de Asgard-groep, die niet dezelfde mogelijkheden bieden als het aansporen van levende microben in een laboratorium, de gouden standaard in de microbiologie sinds de dagen van Louis Pasteur.

Nu is er een high-stake, slow-motion race gaande terwijl laboratoria over de hele wereld proberen hun eigen Asgard-culturen te kweken. Voorbeelden worden niet gedeeld; groeistrategieën zijn goed bewaarde geheimen. "We waren echt geschokt" toen de resultaten van het Schleper-team naar buiten kwamen, schreef Hiroyuki Imachi, de microbioloog van het Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology die, na een slopende inspanning van 12 jaar, het eerste en momenteel enige andere Asgard archaea-monster isoleerde.

Ze zijn niet de enigen. Thijs Ettema, een evolutionair microbioloog aan de Wageningen Universiteit in Nederland, liet doorschemeren dat zijn laboratorium ook vooruitgang had geboekt bij het verrijken van Asgard-culturen, en hij vermoedde dat minstens 10 andere laboratoria soortgelijke projecten aan de gang hadden. 'Ze zouden het me niet vertellen,' zei hij.

Een organisme in elkaar puzzelen

Het pad dat naar Asgard archaea leidde, werd tien jaar geleden voor het eerst opgewarmd. Dat is wanneer een team met onder meer Ettema, Schleper en Anja Spang, die nu evolutionair microbioloog is aan de Universiteit van Amsterdam, ging op zoek naar wat zij hoopten dat een evolutionaire ontbrekende schakel zou zijn.

Biologen gebruikten al lang genetische gegevens om alle bekende organismen in drie taxonomische bakken te sorteren: bacteriën, archaea en eukaryoten. Maar ze waren het luidruchtig oneens over hoe ze de stamboom moesten tekenen die deze groepen met elkaar zou moeten verbinden.

Carl Woese, de invloedrijke Amerikaanse microbioloog die eind jaren zeventig archaea ontdekte, was van mening dat de drie groepen op zichzelf stonden, elk gelijk in waardigheid, en verschillende 'domeinen' van het leven vertegenwoordigden. Volgens Woese en zijn bondgenoten waren de archaea en de eukaryoten zustergroepen die afstamden van een oudere stamvader. Hun tegenstanders pleitten voor een "twee-domein" boom van alleen bacteriën en archaea, en beweerden dat eukaryoten rechtstreeks uit archaea waren geëvolueerd.

kampen gevormd; posities raakten verankerd. "Alles wat met onze oorsprong te maken heeft, ongeacht hoe ver je teruggaat in de tijd, is iets waar mensen veel om geven", zei Spang.

Jaren voordat de nieuwe organismen werden geïsoleerd, pikten microbiële onderzoeken hints op van een onbekende groep archaea met genomen die verdacht veel lijken op die van eukaryoten in mariene sedimenten over de hele wereld. Een studie, geleid door Steffen Jørgensen, de promovendus van Schleper, toonde aan dat deze mysterieuze microben goed gedijden in de modder van de zeebodem die in 2008 bij een hydrothermale bron in de Atlantische Oceaan werd opgeschept. Met 7.5 gram modder uit dezelfde monsters begon het team langere reeksen verdwaald DNA op te vissen.

Hun tussentijdse doel was om een ​​20 jaar oude techniek genaamd metagenomics te gebruiken om genetische sequenties van elk aanwezig organisme te verkrijgen. Stel je voor dat je een gemengde stapel stukjes van duizenden puzzels hebt, legde Spang uit. Eerst zoek je uit welke stukjes bij elke puzzel horen. Vervolgens leg je elke puzzel in elkaar. Metagenomics kan op deze manier genomen samenstellen en werkt alleen met het DNA van microben die op de loer liggen in de modder.

Die analyse, gepubliceerd in 2015, heeft een bijzonder provocerend genoom opgegraven. Het organisme waartoe het behoorde, leek het meest eukaryote-achtige archaeon dat ooit is ontdekt, met genen voor ten minste 175 eiwitten die sterk leken op eukaryote eiwitten. De onderzoekers voerden aan dat alle eukaryoten mogelijk zijn voortgekomen uit een naaste verwant van diezelfde archaeon, een opvatting die de versie met twee domeinen van de levensboom sterk ondersteunt.

Ettema noemde het organisme Lokiarcheota. De naam was een knipoog naar Loki's Castle, de hydrothermale bronformatie in de buurt van waar de monsters waren verzameld. Maar de krant uit 2015 gaf nog een extra reden. "Loki is beschreven als 'een verbluffend complexe, verwarrende en ambivalente figuur die de katalysator is geweest van talloze onopgeloste wetenschappelijke controverses'", schreven ze, waarbij ze een geleerde in de Scandinavische literatuur citeerden. De toespeling leek te passen bij de controverse rond eukaryogenese, de oorsprong van complexe cellen.

Hun ontdekking kwam al snel onder vuur te liggen van voorstanders van het drie-domeinmodel. Hebben de Loki-organismen echt bestaan? Of had Spang de metagenomische puzzels verkeerd opgelost en de genomen van verschillende microben door elkaar gehaald tot één chimeer, denkbeeldig wezen?

Maar al snel ontdekten Ettema, Spang en vele andere medewerkers genetische sequenties die vergelijkbaar zijn met die van het Loki-organisme in warmwaterbronnen, watervoerende lagen en zowel zout- als zoetwatersedimenten over de hele wereld. De organismen waren helemaal niet zeldzaam. Ze waren gewoon over het hoofd gezien.

Wetenschappers gaven de opkomende groepen nieuwe namen die vasthielden aan het thema van de Noorse mythologie - Odin, Thor, Hel, Heimdall - en verwezen naar het hele rijk als de Asgard-archaea, naar het huis van de Noorse goden. De aanvullende genomen leken ook veel eukaryote-achtige eiwitten te bevatten, die de versie met twee domeinen van de levensboom, waarin onze eukaryote tak ontsproot uit een Asgard-voorouder, verder ondersteunde.

Toch hielp het oplossen van waar eukaryogenese plaatsvond in de stamboom van het leven weinig om debatten over hoe dat proces zich ontvouwde op te lossen. Biologen vermoedden dat het bestuderen van levende voorbeelden van Asgard-archaea meer inzichten zou kunnen opleveren dan ze konden opdoen door naar DNA-fragmenten te kijken. In 2015, kort nadat de Asgard-groep was ontdekt, begon Schleper met het kweken van een Loki in Oostenrijk.

Zonder dat ze het allemaal wisten, was er echter al één bezig zich te vermenigvuldigen, heel langzaam, in cultivatie in Japan.

Een microbe die moeilijk te krijgen is

'Mijn voornaam, Hiro, betekent 'tolerant',' vertelde Imachi Quanta in een interview uit 2020. "Ik denk dat tolerant en geduldig zijn - hoe zeg je dat - belangrijk is in mijn leven."

In 2006, voor de kust van Japan, werd een bemande duikboot genaamd de Shinkai 6500 boorde een kern van zwart, zwavelhoudend sediment uit de bodem van een geul onder 2.5 kilometer oceaan. Later dat jaar stopte Imachi een deel van dit sediment in bioreactoren die een diepzee-omgeving konden simuleren; hij had de apparatuur van rioolwaterzuiveringsinstallaties aangepast voor ontwikkelingslanden. Toen vestigde hij zich om te zien wat er in deze vreemde tuin zou groeien.

Metagenomics had al onthuld dat het geheel van bekende kweekbare organismen slechts een fractie vertegenwoordigde van de ware microbiële diversiteit van de natuur. Imachi, die toen een paar jaar van de graduate school af was, had zijn carrière gewijd aan het quichotische doel om alle microben in cultuur te brengen. Om zoiets als een Loki te laten groeien voor laboratoriumonderzoek, zou je echter verschillende ontmoedigende hindernissen tegelijk moeten nemen.

Ten eerste herbergt elk klein stukje modder op de zeebodem honderden microbiële soorten. Om ongewenste bacteriën te verwijderen, kunt u antibiotica toevoegen, die dodelijk zijn voor bacteriën maar worden verdragen door archaea. Maar de antibiotica kunnen ook symbiotische bacteriesoorten doden waar je doelwit niet zonder kan. Het is dus nodig om te experimenteren met verschillende antibiotica in verschillende concentraties om een ​​behandeling te vinden die alleen maar dodelijk is.

Ten tweede moet je de juiste mix van voedingsstoffen, medium en sedimenten vinden waar je doelorganisme in kan gedijen. Ten slotte moet je wachten en wachten tot het doel groeit tot concentraties die hoog genoeg zijn om te vinden onder een elektronenmicroscoop of om mee te experimenteren. . Als het gelukkig is, deelt het organisme dat Imachi voedde zich ongeveer eens in de twee of drie weken. Ter vergelijking, Escherichia coli, het bacteriële werkpaard in veel microbiologische laboratoria, verdubbelt zichzelf gedienstig in slechts 20 minuten.

Vijf en een half jaar nadat hun monsters in de bioreactor van Imachi waren gegaan, inoculeerde het Japanse team alles wat erin groeide in kleine glazen buisjes. Na ongeveer een jaar merkten ze vage tekenen van leven op in één buisje met antibiotica. Toen begonnen ze te proberen hun doelwit - waarvan ze zagen dat het sequenties had die overeenkwamen met die van de Lokiarcheota-groep die Spang in 2015 had gepubliceerd - naar hogere concentraties te duwen.

In de zomer van 2019, kort voordat ze hun manuscript uploadden naar een preprintserver, stuurde Imachi Ettema een conceptdocument hun succes aankondigen. Ettema herinnerde zich zijn eerste glimp van het wezen dat hij jarenlang had bestudeerd door middel van genetische sequenties. "Het zag eruit als een organisme van een andere planeet," zei hij. "Zoiets heb ik nog nooit gezien."

De elektronenmicroscoopbeelden van de Japanse groep maakten een einde aan het debat over de vraag of het Loki-organisme echt was of een artefact van metagenomics. Maar hun werk bracht ook twee cruciale nieuwe ontdekkingen over de Loki-archaea tot stand: dat het organisme zichzelf omringde met kleine armpjes en dat het leek te gedijen in codependente groepen met een sulfaatreducerende bacterie en een andere soort archaeon die methaan produceerde.

Ondertussen was in het laboratorium van Schleper in Oostenrijk de eerste zesjarige subsidie ​​aan het slinken en was er geen nieuwe financiering in zicht. Een postdoc die was aangesteld om het organisme te laten groeien, had uiteindelijk de wetenschap verlaten. Een ander teamlid, een technicus, had zoveel gepipetteerd dat ze geopereerd moesten worden aan het carpaletunnelsyndroom.

In de herfst van 2019 begon echter een cultuur van een Loki-organisme, gestart door Rodrigues-Oliveira, langzaam op gang te komen. Het verdeelde zich in ongeveer de helft van de tijd als de Japanse soort en bereikte dichtheden die 50 tot 100 keer hoger waren. Toch kan ermee werken nog steeds zijn als bladeren door een Waar is Waldo? boek: In 36 uur scannen van monsters door een elektronenmicroscoop, zei Schleper, zag het team slechts 17 individuele exemplaren.

Afgelopen december debuteerden ze hun resultaten in NATUUR. Ook deze Loki had tentakelachtige filamenten waarvan de groep van Schleper speculeert dat ze andere organismen zouden kunnen verstrikken en ermee zouden kunnen interageren. Bij het opscheppen van het Japanse team toonden ze aan dat de tentakels waren gemaakt van een eiwit, Lokiactin, dat sterk lijkt op het actine waarmee eukaryote cellen ondersteunende cytoskeletten bouwen. Het Lokiactin-gen lijkt dus niet alleen op een eukaryoot gen, maar het vervult ook een eukaryote-achtige functie.

Het Lokiactin-gen duikt ook op in elk van de ongeveer 172 Asgard-genomen die wetenschappers zijn tegengekomen. Dat impliceert dat de voorouder van de hele groep - en misschien wel de voorouder van alle eukaryoten - een soortgelijk protoskelet zou kunnen hebben gehad.

Dus wat probeert het laboratorium van Schleper nu met het organisme te doen? "Alles!" zei ze lachend.

Uitreiken om complexe cellen te vormen

Binnen het nu dominante beeld met twee domeinen waaraan de Asgard-archaea bijdragen, gaat het grote verhaal van het leven op deze planeet ongeveer als volgt. Zo'n 4 miljard jaar geleden splitste het leven zich in twee eencellige takken, de archaea en de bacterie.

Genetisch bewijs impliceert dat de twee takken elkaar 2 miljard jaar later opnieuw kruisten toen een archaeon - waarschijnlijk van de Asgard-groep - op de een of andere manier een bacterie binnenkreeg. Het proces domesticeerde wat eens een afzonderlijke, vrijlevende cel was en veranderde het in de organellen die mitochondriën worden genoemd en die in eukaryotische cellen blijven bestaan. De afstammelingen van die noodlottige unie vertakten zich in andere eencellige organismen zoals dinoflagellaten, en later in meercellige wezens die uitgroeiden tot macroscopische afmetingen, fossielen achterlieten en zowel zee als land koloniseerden.

Maar zelfs theoretici die achter dit verhaal staan, behoren tot verdeelde kampen. Sommigen beweren dat het verkrijgen van mitochondriën de bepalende gebeurtenis was in eukaryogenese. Anderen houden vol dat mitochondriën laat in een voortdurende overgang arriveerden. "Misschien heb je Asgard archaea gehad die al behoorlijk complex en nogal eukaryootachtig waren," zei Tom Williams, een computermicrobioloog aan de Universiteit van Bristol. "Toen verwierven ze mitochondriën, in een extreme vorm van deze visie, als een soort kers op de taart."

Tot nu toe, zei hij, heeft de complexiteit van de Asgards, ondanks hun gebrek aan mitochondriën, de discussie doen kantelen in de richting van de laatste opvatting. Maar de gegevens van onderzoek naar Asgards hebben het debat over eukaryogenese ook op andere manieren beperkt.

Om te beginnen zijn beide tot nu toe gekweekte Asgards moeilijk te scheiden van een entourage van andere microben. Net als de Japanse Loki lijken de Oostenrijkse organismen er de voorkeur aan te geven - zelfs afhankelijk te zijn - van het hebben van een extra soort archaeon en een andere sulfaatreducerende bacterie in cultuur. Geleerden die werken aan eukaryogenese, zoals Zuivering López-García aan het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, propageren al lang het idee dat mitochondriën voor het eerst werden gevangen vanuit precies dit soort "syntropisch" partnerschap, waar meerdere soorten onderling afhankelijk leven.

De bevinding dat Lokis actine-tentakels hebben, voegt plausibiliteit toe aan een eukaryogenese-scenario genaamd het binnenstebuitenmodel, zeiden Spang en Schleper. In 2014, de celbioloog Buzz Baum aan University College London en zijn neef, de evolutiebioloog David Baum van de Universiteit van Wisconsin, Madison, kwam met een idee dat ze tijdens familie-evenementen hadden bedacht: dat de eerste eukaryoten werden geboren nadat een eenvoudige vooroudercel uitsteeksels langs de celwanden had uitgestrekt. Eerst reikten deze armen naar een symbiotische bacterie. Uiteindelijk sloten ze zich om die partner heen en veranderden het in een proto-mitochondrion. Zowel de originele archaeale cel als de gevangen symbiont waren omhuld door een skelet dat door de armen werd geleverd.

Toen Asgard archaea nog alleen bekend was van stukjes omgevings-DNA, had Baum de aanwezigen op een conferentie gevraagd om te tekenen hoe zij dachten dat de organismen eruit zouden zien. Zijn eigen tekening op basis van de inside-out-ideeën, die voorspelden dat ze vooruitstekende armen zouden vertonen, verraste de andere verzamelde wetenschappers. In die tijd, zei Schleper, leek het "zo vreemd dat hij deze grappige suggestie deed."

Een competitieve sfeer

De gebeurtenissen van eukaryogenese zijn zo verduisterd door tussenliggende tijd en het uitwisselen van genen dat we ze misschien nooit met zekerheid zullen weten.

De twee Loki-soorten die momenteel in cultuur zijn, bijvoorbeeld, zijn moderne organismen die op dezelfde manier verschillen van de oude archaea als een levende, zingende kardinaal verschilt van de voorouderlijke dinosaurus waaruit hij is geëvolueerd. De Loki-groep is niet eens de subset van Asgard archaea waarvan genetische analyses suggereren dat deze het nauwst verwant is aan eukaryoten. (Gebaseerd op bekende Asgard-genomen, een voordruk gepost door Ettema en zijn collega's in maart beweerden dat de voorouder van eukaryoten een Heimdall-archaeon was.)

Toch gokken laboratoria over de hele wereld dat het kweken van meer diverse vertegenwoordigers van de Asgard-groep een schat aan nieuwe aanwijzingen zal opleveren over hun - en onze - gemeenschappelijke voorouder. Schleper probeert het. Zo ook Ettema. Dat geldt ook voor Baum, die zei dat zijn laboratorium binnenkort een nieuwe collega verwelkomt die flesjes archaea zal brengen van groepen als Heimdall en Odin. Dat geldt ook voor Imachi, die weigerde te spreken Quanta voor dit verhaal.

"Als ik nu door jou zou worden geïnterviewd, zou ik het hoogstwaarschijnlijk hebben over nieuwe gegevens die nog niet zijn gepubliceerd", legde hij uit in een e-mail, eraan toevoegend dat zijn groep de inspanningen van het Schleper-team toejuichte. "Het is nu erg competitief (hoewel ik niet van dit soort competitie hou)", voegde hij eraan toe.

Andere bronnen klaagden ook over de te hoge druk in de atmosfeer. "Het zou leuk zijn als het veld meer open zou staan ​​om te delen," zei Spang. De druk weegt het zwaarst op de jonge wetenschappers die de neiging hebben om de risicovolle, hoogbetaalde teeltprojecten op zich te nemen. Succes kan een gloed toevoegen NATUUR papier bij hun cv. Maar jaren verspillen aan een mislukte poging kan hun kansen op een baan in de wetenschap verkleinen. "Het is echt een oneerlijke situatie," zei Schleper.

Voorlopig gaat de race echter door. Toen de Baum-neven hun ideeën over eukaryogenese in 2014 publiceerden, zei Buzz Baum, gingen ze ervan uit dat we de waarheid waarschijnlijk nooit zouden weten. Toen kwamen plotseling de Asgards opdagen, die nieuwe glimpen boden van de liminale, overgangsstadia die het leven een boost gaven van eencellige eenvoud tot overdrive.

“Voordat we deze prachtige planeet vernietigen, moeten we een beetje kijken, want er zijn coole dingen op planeet Aarde waar we niets vanaf weten. Misschien zijn er dingen die een soort van levende fossielen zijn - toestanden daar tussenin, 'zei hij. "Misschien zit het op mijn douchegordijn."