Prymitywne komórki Asgardu pokazują życie na krawędzi złożoności

Dąb. Grzyb symbiotyczny splotł się z jego korzeniami. Kardynał ćwierkający z jednej z jego gałęzi. Nasza najlepsza wskazówka co do ich wspólnego przodka mogła pojawić się na zdjęciach z mikroskopu elektronowego, które zostały odsłonięte w grudniu.

"Patrzeć!" — powiedział mikrobiolog Krystyna Szleper, promieniejąc, gdy trzymała wydrukowany obraz w wysokiej rozdzielczości przed kamerą internetową na Uniwersytecie Wiedeńskim. „Czy to nie piękne?” Komórki na mikrofotografii były kulami o średnicy 500 nanometrów, otoczonymi aureolą wąsów przypominającą meduzę. Jej zespół nie tylko wyizolował i wyhodował organizm po raz pierwszy, ale wykazał, że jego wymachujące włókna są wykonane z aktyny, białka, które tworzy rusztowanie szkieletowe w prawie wszystkich złożonych komórkach, czyli eukariontach.

Ale to nie była skomplikowana komórka. Wyglądał bardziej rodowodowo, pierwotnie. Organizm, po pierwsze opublikowane w Natura, jest dopiero drugim przedstawicielem grupy mikroorganizmów zwanych archaeami Asgardu, która została wyhodowana i szczegółowo zbadana. Nakłonienie go do wyrośnięcia z małej łyżeczki osadu z dna morskiego, co zajęło sześć lat, było jak przygotowanie garderoby dla temperamentnej celebryty. Organizm nie mógł zostać odwirowany, wymieszany, wystawiony na działanie tlenu, oddzielony od kilku innych drobnoustrojów, z którymi się spotyka, ani przyspieszony do wzrostu szybszego niż tempo lodowca.

Przez kilka miesięcy w ogóle nie rosło. „Martwiłem się także o swoją przyszłość w nauce” — powiedział Thiago Rodrigues-Oliveira, który kierował wysiłkiem wyhodowania nowego gatunku jako postdoc w laboratorium Schlepera, stawiając własną karierę na kaprysy jednego, krnąbrnego organizmu.

Choć niezwykle trudne do pokonania, archeony z Asgardu są obecnie jednymi z najbardziej pożądanych organizmów w nauce i nie bez powodu. Dla wielu biologów ewolucyjnych ich odkrycie i późniejsze badania usprawiedliwiają rewizję podręcznikowych obrazów drzewa życia, aby umieścić nas — i każde inne stworzenie zbudowane z komórek eukariotycznych — jako zwykłe odgałęzienia grupy Asgardu.

Tymczasem badania genomów Asgardu przyniosły bardzo potrzebne dane dotyczące ewolucji eukariontów, epokowego wydarzenia w historii Ziemi, które inspiruje kontrowersyjne debaty. Większość dotychczasowych badań musiała opierać się na pośrednich sondach genetycznych grupy Asgard, które nie dają takich samych możliwości, jak popychanie żywych drobnoustrojów w laboratorium, złoty standard w mikrobiologii od czasów Ludwika Pasteura.

Teraz trwa wyścig o wysoką stawkę w zwolnionym tempie, podczas gdy laboratoria na całym świecie próbują wyhodować własne kultury Asgardu. Próbki nie są udostępniane; strategie rozwoju są ściśle strzeżoną tajemnicą. „Byliśmy szczerze zszokowani”, gdy opublikowano wyniki zespołu Schlepera, napisał Hiroyuki Imachi, mikrobiolog z Japońskiej Agencji ds. Nauki i Technologii Morsko-Ziemskiej, który po wyczerpujących 12-letnich wysiłkach wyizolował pierwszą i obecnie jedyną inną próbkę archeonów z Asgardu.

Nie są jedyni. Thijs Ettema, mikrobiolog ewolucyjny z Uniwersytetu Wageningen w Holandii, zasugerował, że jego laboratorium poczyniło postępy w kierunku wzbogacenia kultur Asgardu, i domyślił się, że co najmniej 10 innych laboratoriów prowadzi podobne projekty. — Nie powiedzieliby mi — powiedział.

Składanie organizmu

Ścieżka, która prowadziła do archeonów Asgardu, po raz pierwszy rozgrzała się dekadę temu. To wtedy zespół składający się z Ettemy, Schlepera i Anja Spang, który jest obecnie mikrobiologiem ewolucyjnym na Uniwersytecie w Amsterdamie, postanowił znaleźć to, co, jak mieli nadzieję, będzie ewolucyjnym brakującym ogniwem.

Biolodzy od dawna wykorzystywali dane genetyczne do sortowania wszystkich znanych organizmów do trzech kategorii taksonomicznych: bakterii, archeonów i eukariontów. Ale głośno nie zgadzali się, jak narysować drzewo genealogiczne, które powinno połączyć te grupy.

Karol Woese, wpływowy amerykański mikrobiolog, który odkrył archeony pod koniec lat 1970. XX wieku, utrzymywał, że te trzy grupy stoją niezależnie, każda jednakowo pod względem godności, reprezentując odrębne „domeny” życia. W opinii Woese'a i jego sprzymierzeńców archeony i eukarionty były grupami siostrzanymi, pochodzącymi od starszego przodka. Ich przeciwnicy opowiadali się za „dwudomenowym” drzewem składającym się tylko z bakterii i archeonów, twierdząc, że eukarionty wyewoluowały bezpośrednio z archeonów.

Utworzono obozy; pozycje umocniły się. „Wszystko, co ma związek z naszym pochodzeniem, niezależnie od tego, jak daleko cofniesz się w czasie, jest czymś, na czym ludziom bardzo zależy” – powiedział Spang.

Wiele lat przed wyizolowaniem nowych organizmów badania mikrobiologiczne wykryły ślady nieznanej grupy archeonów o genomach podejrzanie zbliżonych do eukariotów w osadach morskich na całym świecie. Jedno badanie, prowadzone przez Steffena Jørgensena, doktorant Schlepera, wykazał, że te tajemnicze drobnoustroje rozwijały się w błocie dna morskiego zebranym w pobliżu komina hydrotermalnego w Oceanie Atlantyckim w 2008 roku. Pracując z 7.5 gramami błota z tych samych próbek, zespół zaczął łowić dłuższe sekwencje zabłąkanego DNA.

Ich pośrednim celem było wykorzystanie 20-letniej techniki zwanej metagenomiką w celu uzyskania sekwencji genetycznych z każdego obecnego organizmu. Wyobraź sobie, że masz pomieszany stos kawałków tysięcy puzzli, wyjaśnił Spang. Najpierw odgadnij, które elementy należą do każdej układanki. Następnie układasz każdą układankę. Metagenomika może w ten sposób składać genomy, pracując tylko z DNA drobnoustrojów czających się w błocie.

Ta analiza, opublikowany w 2015 roku, odkrył jeden szczególnie prowokujący genom. Organizm, do którego należał, wydawał się być najbardziej podobnym do eukariota archeonem, jaki kiedykolwiek odkryto, z genami dla co najmniej 175 białek, które bardzo przypominały białka eukariotyczne. Naukowcy argumentowali, że wszystkie eukarionty mogły wyrosnąć od bliskiego krewnego tego właśnie archeona, co zdecydowanie wspiera dwudomenową wersję drzewa życia.

Ettema nazwał organizm Lokiarcheota. Nazwa była ukłonem w stronę Zamku Lokiego, formacji komina hydrotermalnego w pobliżu miejsca, w którym pobrano próbki. Ale artykuł z 2015 roku podał dodatkowy powód. „Loki został opisany jako„ niesamowicie złożona, zagmatwana i ambiwalentna postać, która była katalizatorem niezliczonych nierozwiązanych kontrowersji naukowych ”- napisali, cytując znawcę literatury skandynawskiej. Ta aluzja zdawała się pasować do kontrowersji wokół eukariogenezy, pochodzenia złożonych komórek.

Ich odkrycie wkrótce znalazło się pod ostrzałem zwolenników modelu trójdomenowego. Czy organizmy Lokiego naprawdę istniały? A może Spang źle rozwiązał zagadkę metagenomiczną i pomieszał genomy kilku różnych drobnoustrojów w jedno chimeryczne, wyimaginowane stworzenie?

Ale wkrótce Ettema, Spang i wielu innych współpracowników odkryło sekwencje genetyczne podobne do sekwencji organizmu Lokiego w gorących źródłach, warstwach wodonośnych oraz osadach zarówno słonowodnych, jak i słodkowodnych na całym świecie. Organizmy wcale nie były rzadkie. Po prostu zostały pominięte.

Naukowcy nadali powstającym grupom nowe nazwy, nawiązujące do motywu mitologii nordyckiej — Odyn, Thor, Hel, Heimdall — i odnieśli się do całego królestwa jako do archeonów Asgardu, na cześć siedziby nordyckich bogów. Dodatkowe genomy również wydawały się zawierać wiele białek podobnych do eukariotów, co dodatkowo wspierało dwudomenową wersję drzewa życia, w którym nasza gałąź eukariotyczna wyrosła z przodka z Asgardu.

Mimo to ustalenie, gdzie zachodzi eukariogeneza w drzewie genealogicznym życia, niewiele pomogło w rozwiązaniu debat dotyczących przebiegu tego procesu. Biolodzy podejrzewali, że badanie żywych przykładów archeonów z Asgardu może dostarczyć więcej informacji, niż mogliby uzyskać, patrząc na fragmenty DNA. W 2015 roku, wkrótce po odkryciu grupy Asgard, Schleper zaczął próbować wyhodować Lokiego w Austrii.

Jednak bez wiedzy wszystkich, jeden już się rozmnażał, bardzo powoli, w uprawie w Japonii.

Mikrob, który jest trudny do zdobycia

„Moje imię, Hiro, oznacza„ tolerancyjny ”” – powiedział Imachi Quanta w wywiadzie z 2020 r. „Myślę, że bycie tolerancyjnym i cierpliwym jest — jak to powiedzieć — ważne w moim życiu”.

W 2006 roku u wybrzeży Japonii wypłynął załogowy okręt podwodny o nazwie Shinkai 6500 wywiercił rdzeń z czarnego, siarkowego osadu z dna rowu pod 2.5 km oceanu. Później tego samego roku Imachi umieścił część tego osadu w bioreaktorach, które mogłyby symulować środowisko głębinowe; zaadaptował sprzęt z systemów oczyszczania ścieków dla krajów rozwijających się. Potem zamieszkał, aby zobaczyć, co może wyrosnąć w tym dziwnym ogrodzie.

Metagenomika już wcześniej ujawniła, że ​​wszystkie znane organizmy nadające się do hodowli reprezentowały zaledwie ułamek prawdziwej różnorodności drobnoustrojów występujących w przyrodzie. Imachi, wówczas kilka lat po studiach, poświęcił swoją karierę donkiszotowskiemu celowi wprowadzenia wszystkich mikrobów do uprawy. Jednak wyhodowanie czegoś takiego jak Loki do badań laboratoryjnych wymagałoby jednoczesnego pokonania kilku zniechęcających przeszkód.

Po pierwsze, każdy mały kawałek błota dna morskiego zawiera setki gatunków drobnoustrojów. Aby usunąć niechciane bakterie, możesz dodać antybiotyki, które są zabójcze dla bakterii, ale tolerowane przez archeony. Ale antybiotyki mogą również zabijać symbiotyczne gatunki bakterii, bez których twój docelowy archeon nie może żyć. Dlatego konieczne jest eksperymentowanie z różnymi antybiotykami w różnych stężeniach, aby znaleźć leczenie, które jest odpowiednio śmiertelne.

Po drugie, musisz znaleźć odpowiednią mieszankę składników odżywczych, pożywki i osadów, aby organizm docelowy mógł się rozwijać. Na koniec musisz czekać i czekać, aż cel osiągnie stężenie wystarczająco wysokie, aby można je było znaleźć pod mikroskopem elektronowym lub eksperymentować na . Kiedy jest szczęśliwy, organizm, który pielęgnował Imachi, dzieli się mniej więcej raz na dwa lub trzy tygodnie. W porównaniu, Escherichia coli, bakteryjny koń pociągowy w wielu laboratoriach mikrobiologicznych, uprzejmie podwaja się w ciągu zaledwie 20 minut.

Pięć i pół roku po tym, jak ich próbki trafiły do ​​bioreaktora Imachiego, japoński zespół zaszczepił wszystko, co rosło w środku, w małych szklanych probówkach. Po około roku zauważyli słabe oznaki życia w jednej probówce z antybiotykiem. Następnie zaczęli próbować przesunąć swój cel – który, jak widzieli, miał sekwencje pasujące do tych z grupy Lokiarcheota, które Spang opublikował w 2015 roku – do wyższych stężeń.

Latem 2019 r., na krótko przed przesłaniem manuskryptu na serwer preprintów, Imachi wysłał Ettemie wersję roboczą artykułu ogłaszając swój sukces. Ettema przypomniał sobie swój pierwszy rzut oka na istotę, którą badał przez lata poprzez sekwencje genetyczne. „Wyglądał jak organizm z innej planety” – powiedział. „Nigdy nie widziałem czegoś takiego”.

Obrazy z mikroskopu elektronowego japońskiej grupy zakończyły debatę na temat tego, czy organizm Lokiego był prawdziwy, czy też był artefaktem metagenomiki. Ale ich praca ustaliła również dwa kluczowe nowe odkrycia dotyczące archeonów Loki: organizm otaczał się małymi ramionami i wydawał się rozwijać we współzależnych kępach z bakterią redukującą siarczany i innym gatunkiem archeona, który wytwarzał metan.

Tymczasem w laboratorium Schlepera w Austrii początkowy sześcioletni grant się kurczył i nie było widać nowych funduszy. Pewien doktor habilitowany, któremu powierzono zadanie wyhodowania organizmu, porzucił naukę. Inny członek zespołu, technik, odpipetował tak dużo, że konieczna była operacja zespołu cieśni nadgarstka.

Jednak jesienią 2019 roku kultura organizmu Lokiego, zapoczątkowana przez Rodriguesa-Oliveirę, zaczęła się rozwijać. Podzielił się w około połowę krótszym czasie niż szczep japoński i osiągnął gęstość od 50 do 100 razy większą. Mimo to praca z nim może nadal przypominać przeglądanie Gdzie jest Waldo? książka: W ciągu 36 godzin skanowania próbek przez mikroskop elektronowy, powiedział Schleper, zespół zauważył zaledwie 17 pojedynczych okazów.

W grudniu ubiegłego roku zadebiutowali swoimi wynikami w Natura. Ten Loki również miał podobne do macek włókna, które zdaniem grupy Schlepera mogą oplatać inne organizmy i wchodzić z nimi w interakcje. Badając japoński zespół, wykazali, że macki były zrobione z białka, Lokiaktyny, które bardzo przypomina aktynę, z której komórki eukariotyczne budują wspierające cytoszkielety. Tak więc gen Lokiactin nie tylko jest podobny do genu eukariotycznego, ale pełni funkcję podobną do eukariotycznej.

Gen Lokiactin pojawia się również w każdym z około 172 genomów Asgardu, które napotkali naukowcy. Oznacza to, że przodek całej grupy – a być może przodek wszystkich eukariontów – mógł mieć podobny protoszkielet.

Co więc laboratorium Schlepera próbuje teraz zrobić z organizmem? "Wszystko!" powiedziała śmiejąc się.

Sięganie w celu utworzenia złożonych komórek

W dominującym obecnie obrazie dwóch domen, do którego przyczyniają się archeony Asgardu, wielka historia życia na tej planecie wygląda mniej więcej tak. Około 4 miliardy lat temu życie podzieliło się na dwie jednokomórkowe gałęzie, archeony i bakterie.

Dowody genetyczne sugerują, że dwie gałęzie skrzyżowały się ponownie 2 miliardy lat później, kiedy archeon – prawdopodobnie z grupy Asgardu – w jakiś sposób połknął bakterię. Proces udomowił to, co kiedyś było odrębną, wolno żyjącą komórką i przekształcił ją w organelle zwane mitochondriami, które utrzymują się w komórkach eukariotycznych. Potomkowie tego fatalnego związku rozgałęzili się na inne organizmy jednokomórkowe, takie jak bruzdnice, a później na stworzenia wielokomórkowe, które urosły do ​​rozmiarów makroskopowych, pozostawiły po sobie skamieliny i skolonizowały zarówno morza, jak i lądy.

Ale nawet teoretycy, którzy stoją za tą narracją, należą do podzielonych obozów. Niektórzy twierdzą, że zdobycie mitochondriów było decydującym wydarzeniem w eukariogenezie. Inni twierdzą, że mitochondria przybyły późno w trwającej przemianie. „Mogłeś mieć archeony Asgardu, które były już dość złożone i podobne do eukariontów” – powiedział Toma Williamsa, mikrobiolog obliczeniowy z University of Bristol. „Następnie nabyli mitochondria, w skrajnej formie tego poglądu, jako swego rodzaju wisienkę na torcie”.

Jak dotąd, powiedział, złożoność Asgardów pomimo braku mitochondriów przechyliła dyskusję w kierunku tego drugiego poglądu. Ale dane z badań nad Asgardami ograniczyły debatę na temat eukariogenezy również w inny sposób.

Po pierwsze, obydwa dotychczas uprawiane Asgardy okazały się trudne do oddzielenia od świty innych mikrobów. Podobnie jak japoński Loki, organizmy austriackie wydają się preferować — a nawet polegać na — posiadaniu w hodowli dodatkowego gatunku archeonu i innej bakterii redukującej siarczany. Uczeni zajmujący się eukariogenezą, tacy jak Purificación López-García we Francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych, od dawna promują ideę, że mitochondria zostały po raz pierwszy przechwycone z wnętrza właśnie tego rodzaju „syntropiczne” partnerstwo, gdzie wiele gatunków żyje w zależności od siebie.

Odkrycie, że Loki ma macki aktynowe, dodaje wiarygodności scenariuszowi eukariogenezy zwanemu model od wewnątrz, powiedzieli Spang i Schleper. W 2014 roku biolog komórkowy Buzza Bauma na University College London i jego kuzyn, biolog ewolucyjny Dawid Baum z University of Wisconsin w Madison zaproponowali pomysł, który wymyślali na imprezach rodzinnych: że pierwsze eukarioty urodziły się po tym, jak prosta komórka przodków wysunęła wypustki poza ściany komórkowe. Najpierw te ramiona sięgnęły w kierunku symbiotycznej bakterii. W końcu zamknęli się wokół tego partnera, zamieniając go w proto-mitochondrium. Zarówno oryginalna komórka archeologiczna, jak i schwytany symbiont zostały otoczone szkieletem dostarczonym przez ramiona.

W czasach, gdy archeony Asgardu były jeszcze znane tylko ze skrawków środowiskowego DNA, Baum poprosił uczestników konferencji, aby narysowali, jak według nich będą wyglądać te organizmy. Jego własny rysunek oparty na pomysłach wywróconych na lewą stronę, które przewidywały, że będą mieli wystające ramiona, zaskoczył pozostałych zgromadzonych naukowców. W tamtym czasie, jak powiedział Schleper, wydawało się to „tak dziwne, że robi tę zabawną sugestię”.

Atmosfera rywalizacji

Wydarzenia eukariogenezy zostały tak zaciemnione przez interwencję czasu i wymianę genów, że możemy nigdy nie poznać ich z całą pewnością.

Na przykład dwa gatunki Lokiego, które są obecnie w kulturze, to współczesne organizmy, które różnią się od starożytnych archeonów w taki sam sposób, w jaki żyjący, śpiewający kardynał różni się od pradawnego dinozaura, z którego wyewoluował. Grupa Loki nie jest nawet podzbiorem archeonów Asgardu, który według analiz genetycznych jest najbliżej spokrewniony z eukariontami. (W oparciu o znane genomy Asgardu, wydruk wstępny opublikowany przez Ettema i jego współpracowników w marcu argumentował, że przodkiem eukariontów był archeon Heimdall).

Mimo to laboratoria na całym świecie stawiają na to, że wprowadzenie bardziej zróżnicowanych przedstawicieli grupy Asgard do uprawy przyniesie bonanzę nowych wskazówek na temat ich — i naszego — wspólnego przodka. Schleper próbuje. Podobnie jest z Etemą. Podobnie Baum, który powiedział, że jego laboratorium wkrótce powita nowego kolegę, który przyniesie fiolki archeonów z grup takich jak Heimdall i Odin. Podobnie Imachi, który odmówił rozmowy Quanta dla tej historii.

„Gdybym miał teraz udzielić wywiadu, najprawdopodobniej rozmawiałbym o nowych danych, które nie zostały jeszcze opublikowane” – wyjaśnił w e-mailu, dodając, że jego grupa pochwaliła wysiłki zespołu Schlepera. „Jest teraz bardzo konkurencyjny (chociaż nie lubię tego rodzaju konkurencji)” – dodał.

Inne źródła również ubolewały nad nadmiernie ciśnieniową atmosferą. „Byłoby miło, gdyby pole było bardziej otwarte na dzielenie się” – powiedział Spang. Presja ciąży najbardziej na młodych naukowcach, którzy mają tendencję do podejmowania projektów kultywacyjnych wysokiego ryzyka i wysokich nagród. Sukces może dodać blasku Natura papier do swojego CV. Ale marnowanie lat na nieudane wysiłki może zniweczyć ich szanse na znalezienie pracy naukowej. „To naprawdę niesprawiedliwa sytuacja” — powiedział Schleper.

Na razie jednak wyścig trwa. Kiedy kuzyni Baum opublikowali swoje pomysły na temat eukariogenezy w 2014 roku, powiedział Buzz Baum, założyli, że prawdopodobnie nigdy nie poznamy prawdy. Potem nagle pojawili się Asgardczycy, oferując nowe przebłyski liminalnych, przejściowych etapów, które ożywiły życie od jednokomórkowej prostoty do nadbiegu.

„Zanim zniszczymy tę piękną planetę, powinniśmy trochę poszukać, ponieważ na planecie Ziemia są fajne rzeczy, o których nic nie wiemy. Być może istnieją rzeczy, które są czymś w rodzaju żywych skamielin – stanami pośrednimi” – powiedział. „Może jest na mojej zasłonie prysznicowej”.