Примитивные клетки Асгарда показывают жизнь на грани сложности

Дуб. Симбиотический гриб переплелся своими корнями. Кардинал чирикает с одной из его ветвей. Наш лучший ключ к разгадке их общего предка мог быть получен с помощью изображений, полученных с помощью электронного микроскопа, которые были обнародованы в декабре.

"Смотреть!" сказал микробиолог Криста Шлепер, сияя, когда она держала распечатанное изображение с высоким разрешением перед своей веб-камерой в Венском университете. — Разве это не красиво? Клетки на микрофотографии представляли собой шары шириной 500 нанометров, окруженные ореолом усиков, похожим на Медузу. Ее команда не только впервые выделила и культивировала организм, но и показала, что его извивающиеся нити состоят из актина, белка, который образует каркас скелета почти во всех сложных клетках, или эукариотах.

Но это была не сложная клетка. Он выглядел более родовым, первобытным. Организм, в первую очередь опубликованной в природа, является лишь вторым представителем группы микробов, называемых асгардскими археями, который был выращен и подробно изучен. Уговорить его вырасти из крошечной ложки ила с морского дна, на что ушло шесть лет, было все равно, что подготовить гримерку для темпераментной знаменитости. Организм нельзя было центрифугировать, перемешивать, подвергать воздействию кислорода, отделять от нескольких других микробов, с которыми он дружит, или ускорять рост быстрее, чем ледник.

Несколько месяцев он вообще не рос. «Я также беспокоился о своем будущем в науке, — сказал Тиаго Родригес-Оливейра, который возглавил усилия по культивированию нового вида в качестве постдока в лаборатории Шлепера, поставив свою карьеру на прихоти одного непокорного организма.

Как бы ни было мучительно трудно с ними иметь дело, археи Асгарда в настоящее время являются одними из самых желанных организмов в науке, и на то есть веские причины. Для многих биологов-эволюционистов их открытие и последующие исследования оправдывают пересмотр хрестоматийных изображений древа жизни, чтобы представить нас — и любое другое существо, созданное из эукариотических клеток — простыми ответвлениями группы Асгарда.

Тем временем исследования геномов Асгарда предоставили крайне необходимые данные для ответа на вопрос о том, как эволюционировали эукариоты, — эпохальном событии в истории Земли, которое вызывает споры. Большинство исследований на сегодняшний день должны были опираться на непрямые генетические зонды группы Асгарда, которые не предлагают таких же возможностей, как исследование живых микробов в лаборатории, что является золотым стандартом в микробиологии со времен Луи Пастера.

Теперь идет медленная гонка с высокими ставками, поскольку лаборатории по всему миру пытаются вырастить свои собственные культуры Асгарда. Образцы не передаются; стратегии роста являются строго охраняемыми секретами. «Мы были искренне шокированы», когда стали известны результаты команды Шлепера, — написал Хироюки Имати, микробиолог из Японского агентства морских и земных наук и технологий, который после изнурительных 12-летних усилий выделил первый и на данный момент единственный образец археи Асгарда.

Они не единственные. Тийс Эттема, эволюционный микробиолог из Вагенингенского университета в Нидерландах, намекнул, что его лаборатория также добилась прогресса в обогащении культур Асгарда, и предположил, что по крайней мере в 10 других лабораториях ведутся аналогичные проекты. «Они не сказали бы мне,» сказал он.

Собираем организм

Тропа, ведущая к археям Асгарда, впервые протеплилась десять лет назад. Именно тогда команда, включающая Эттему, Шлепера и Аня Спанг, который сейчас работает микробиологом-эволюционистом в Амстердамском университете, намеревался найти то, что, как они надеялись, станет недостающим эволюционным звеном.

Биологи уже давно использовали генетические данные для разделения всех известных организмов на три таксономические категории: бактерии, археи и эукариоты. Но они яростно спорили о том, как нарисовать генеалогическое древо, которое должно связать эти группы вместе.

Карл Вёзе, влиятельный американский микробиолог, открывший археи в конце 1970-х годов, считал, что три группы существуют сами по себе, каждая из которых имеет одинаковое достоинство, представляя различные «области» жизни. По мнению Вёзе и его союзников, археи и эукариоты были сестринскими группами, произошедшими от старшего предка. Их противники приводили доводы в пользу «двухдоменного» дерева, состоящего только из бактерий и архей, утверждая, что эукариоты произошли непосредственно от архей.

Образовались лагеря; позиции укрепились. «Все, что связано с нашим происхождением, независимо от того, как далеко вы уходите в прошлое, глубоко волнует людей», — сказал Спэнг.

За годы до того, как новые организмы были выделены, микробиологические исследования выявили намеки на неизвестную группу архей с геномами, подозрительно близкими к геномам эукариот, в морских отложениях по всему миру. Одно исследование под руководством Штеффен Йоргенсен, аспирант Шлепера, показал, что эти таинственные микробы процветали в иле на морском дне, собранном возле гидротермального источника в Атлантическом океане в 2008 году. Работая с 7.5 граммами грязи из тех же образцов, команда начала вылавливать более длинные последовательности случайной ДНК.

Их промежуточная цель состояла в том, чтобы использовать метод 20-летней давности, называемый метагеномикой, для получения генетических последовательностей от каждого присутствующего организма. «Представьте, что у вас есть перемешанная куча кусочков из тысяч головоломок, — объяснил Спэнг. Сначала вы выясняете, какие части принадлежат каждой головоломке. Затем вы собираете каждую головоломку вместе. Таким образом метагеномика может собирать геномы, работая только с ДНК микробов, скрывающихся в грязи.

Этот анализ, опубликованный в 2015 году, обнаружил один особенно провокационный геном. Организм, которому он принадлежал, казался самым эукариотическим археоном из когда-либо обнаруженных, с генами по крайней мере 175 белков, которые сильно напоминали эукариотические белки. Исследователи утверждали, что все эукариоты могли произойти от близких родственников этого самого археона, и эта точка зрения убедительно поддерживает двухдоменную версию древа жизни.

Эттема назвала организм Lokiarcheota. Название было отсылкой к замку Локи, формированию гидротермальных источников рядом с местом, где были собраны образцы. Но статья 2015 года дала дополнительную причину. «Локи был описан как «поразительно сложная, запутанная и двойственная фигура, которая стала катализатором бесчисленных неразрешенных научных споров», — написали они, цитируя исследователя скандинавской литературы. Аллюзия, казалось, соответствовала спорам вокруг эукариогенеза, происхождения сложных клеток.

Их открытие вскоре подверглось критике со стороны сторонников трехдоменной модели. Действительно ли существовали организмы Локи? Или Спэнг неправильно решил метагеномную загадку и смешал геномы нескольких разных микробов в одном химерическом воображаемом существе?

Но вскоре Эттема, Спанг и многие другие сотрудники обнаружили генетические последовательности, подобные последовательности организма Локи, в горячих источниках, водоносных горизонтах, а также в соленых и пресноводных отложениях по всему миру. Организмы вовсе не были редкими. Их просто не замечали.

Ученые дали появляющимся группам новые имена, которые соответствовали теме скандинавской мифологии — Один, Тор, Хель, Хеймдалль — и назвали все царство археями Асгарда, в честь дома скандинавских богов. Дополнительные геномы также, по-видимому, включали множество эукариотоподобных белков, что дополнительно поддерживало двухдоменную версию древа жизни, в которой наша эукариотическая ветвь произошла от предка Асгарда.

Тем не менее, выяснение того, где на генеалогическом древе жизни происходил эукариогенез, мало помогло разрешить споры о том, как разворачивался этот процесс. Биологи подозревали, что изучение живых образцов архей Асгарда может дать больше информации, чем они могли бы извлечь из фрагментов ДНК. В 2015 году, вскоре после того, как была обнаружена группа Асгард, Шлепер начал попытки вырастить Локи в Австрии.

Тем не менее, никто из них не знал, что один из них уже размножался, очень медленно, при выращивании в Японии.

Микроб, которого трудно заполучить

«Мое имя, Хиро, означает «терпимый», — сказал Имачи. Quanta в интервью 2020 года. «Я думаю, [быть] терпимым и терпеливым — как бы это сказать — важно в моей жизни».

В 2006 году у берегов Японии спустили на воду подводную лодку с экипажем. Синкай 6500 пробурил керн черных сернистых отложений на дне траншеи под 2.5 километрами океана. Позже в том же году Имачи поместил часть этого осадка в биореакторы, которые могли имитировать глубоководную среду; он адаптировал оборудование из систем очистки сточных вод для развивающихся стран. Затем он поселился, чтобы посмотреть, что может вырасти в этом странном саду.

Метагеномика уже показала, что все известные культивируемые организмы представляют собой лишь часть истинного микробного разнообразия природы. Имачи, несколько лет назад окончивший аспирантуру, посвятил свою карьеру донкихотской цели — культивированию всех микробов. Однако, чтобы вырастить что-то вроде Локи для лабораторных исследований, потребовалось бы преодолеть сразу несколько сложных препятствий.

Во-первых, в любом маленьком кусочке ила на морском дне обитают сотни видов микробов. Чтобы избавиться от нежелательных бактерий, вы можете добавить антибиотики, которые смертельны для бактерий, но переносятся археями. Но антибиотики могут также убивать симбиотические виды бактерий, без которых ваш целевой археон не может жить. Поэтому необходимо экспериментировать с различными антибиотиками в разных концентрациях, чтобы найти лечение, которое будет летальным только в случае необходимости.

Во-вторых, вы должны найти правильное сочетание питательных веществ, среды и отложений для вашего целевого организма, чтобы процветать. . Когда он счастлив, организм, который взращивал Имачи, делится примерно раз в две-три недели. По сравнению, Кишечная палочка, бактериальная рабочая лошадка во многих микробиологических лабораториях, услужливо удваивается всего за 20 минут.

Через пять с половиной лет после того, как их образцы попали в биореактор Имачи, японская команда инокулировала то, что росло внутри, в маленькие стеклянные пробирки. Примерно через год они заметили слабые признаки жизни в одном тюбике с антибиотиками. Затем они начали пытаться подтолкнуть свою цель, которая, как они увидели, имела последовательности, совпадающие с последовательностями группы Lokiarcheota, опубликованными Спангом в 2015 году, до более высоких концентраций.

Летом 2019 года, незадолго до загрузки рукописи на сервер препринтов, Имачи отправил Эттеме черновой вариант статьи. объявить об их успехе. Эттема вспомнил, как впервые увидел существо, которое годами изучал с помощью генетических последовательностей. «Это выглядело как организм с другой планеты», — сказал он. «Я никогда не видел ничего подобного».

Снимки, сделанные японской группой под электронным микроскопом, положили конец спорам о том, был ли организм Локи реальным или продуктом метагеномики. Но их работа также позволила сделать два важных новых открытия об археях Локи: что этот организм окружил себя крошечными руками и что он, казалось, процветал в созависимых скоплениях с сульфатредуцирующей бактерией и другим видом археи, производившим метан.

Тем временем в лаборатории Шлепера в Австрии первоначальный шестилетний грант истощался, а нового финансирования не предвиделось. Один постдоктор, которому поручили вырастить организм, ушел из науки. Другой член команды, техник, набрал так много пипеток, что им потребовалась операция по поводу синдрома запястного канала.

Однако осенью 2019 года культура организма Локи, начатая Родригесом-Оливейрой, начала продвигаться вперед. Он делился примерно вдвое быстрее, чем японский штамм, и достигал плотности в 50–100 раз выше. Но даже в этом случае работа с ним может быть похожа на перелистывание Где Уолдо? Книга: По словам Шлепера, за 36 часов сканирования образцов с помощью электронного микроскопа команда обнаружила всего 17 отдельных образцов.

В декабре прошлого года они представили свои результаты в природа. У этого Локи тоже были нити, похожие на щупальца, которые, по предположению группы Шлепера, могли опутывать другие организмы и взаимодействовать с ними. Изучив японскую команду, они показали, что щупальца состоят из белка локиактина, который очень похож на актин, с помощью которого эукариотические клетки строят вспомогательный цитоскелет. Таким образом, ген локиактина не только похож на эукариотический ген, но и выполняет функцию, подобную эукариотической.

Ген локиактина также появляется в каждом из 172 или около того геномов Асгарда, с которыми столкнулись ученые. Это означает, что предок всей группы — и, возможно, предок всех эукариот — мог иметь аналогичный протоскелет.

Так что же сейчас лаборатория Шлепера пытается сделать с этим организмом? "Все!" — сказала она, смеясь.

Стремление сформировать сложные клетки

В преобладающей сейчас двухдоменной картине, в которую вносят свой вклад археи Асгарда, большая история жизни на этой планете выглядит примерно так. Около 4 миллиардов лет назад жизнь разделилась на две одноклеточные ветви: археи и бактерии.

Генетические данные предполагают, что две ветви снова пересеклись 2 миллиарда лет спустя, когда археон — вероятно, из группы Асгарда — каким-то образом проглотил бактерию. Этот процесс одомашнил то, что когда-то было отдельной свободноживущей клеткой, и превратил ее в органеллы, называемые митохондриями, которые сохраняются внутри эукариотических клеток. Потомки этого судьбоносного союза разветвились на другие одноклеточные организмы, такие как динофлагелляты, а затем и на многоклеточные существа, которые выросли до макроскопических размеров, оставили после себя окаменелости и колонизировали как море, так и сушу.

Но даже теоретики, которые стоят за этим нарративом, принадлежат к разделившимся лагерям. Некоторые утверждают, что получение митохондрий было определяющим событием в эукариогенезе. Другие настаивают на том, что митохондрии появились поздно в продолжающемся переходе. «Возможно, у вас были археи Асгарда, которые уже были довольно сложными и весьма похожими на эукариот», — сказал он. Том Уильямс, вычислительный микробиолог из Бристольского университета. «Затем они приобрели митохондрии, в крайней форме этого взгляда, как своего рода глазурь на торте».

Пока, по его словам, сложность Асгардов, несмотря на отсутствие у них митохондрий, склоняет дискуссию в сторону последней точки зрения. Но данные исследований Асгардов также ограничивают дебаты об эукариогенезе другими способами.

Во-первых, оказалось, что обоих асгардов, культивируемых до сих пор, трудно отделить от окружения других микробов. Подобно японскому Локи, австрийские организмы, по-видимому, предпочитают — и даже зависят — иметь в культуре дополнительный вид археонов и другую сульфатредуцирующую бактерию. Ученые, работающие над эукариогенезом, такие как Purificación Лопес-Гарсия во Французском национальном центре научных исследований уже давно продвигают идею о том, что митохондрии впервые были захвачены именно из такого рода «синтропическое» партнерство, где несколько видов живут взаимозависимо.

Открытие того, что у Локи есть актиновые щупальца, добавляет правдоподобия сценарию эукариогенеза, называемому модель наизнанку— сказали Спэнг и Шлепер. В 2014 году клеточный биолог Базз Баум в Университетском колледже Лондона и его кузен, биолог-эволюционист Дэвид Баум из Университета Висконсина в Мэдисоне предложили идею, которую они обдумывали на семейных мероприятиях: первые эукариоты родились после того, как простая предковая клетка вытянулась за пределы своих клеточных стенок. Сначала эти руки потянулись к симбиотической бактерии. В конце концов они сомкнулись вокруг этого партнера, превратив его в протомитохондрию. И исходная клетка археи, и захваченный симбиот были заключены в скелет, образованный руками.

Когда об археях Асгарда все еще знали только по фрагментам ДНК окружающей среды, Баум попросил участников конференции нарисовать, как, по их мнению, будут выглядеть эти организмы. Его собственный рисунок, основанный на вывернутых наизнанку идеях, который предсказывал, что у них будут торчащие руки, удивил других собравшихся ученых. В то время, по словам Шлепера, казалось «настолько странным, что он делает это забавное предложение».

Конкурентная атмосфера

События эукариогенеза были настолько затемнены прошедшим временем и обменом генами, что мы, возможно, никогда не узнаем их с уверенностью.

Например, два вида локи, находящихся в настоящее время в культуре, представляют собой современные организмы, которые отличаются от древних архей так же, как живущий поющий кардинал отличается от динозавра-предка, от которого он произошел. Группа Локи даже не является подмножеством архей Асгарда, которое, как показывают генетические анализы, наиболее тесно связано с эукариотами. (На основе известных геномов Асгарда, препринт опубликованный Эттемой и его коллегами в марте, утверждал, что предком эукариот был археон Хеймдалля.)

Тем не менее, лаборатории по всему миру делают ставку на то, что выращивание более разнообразных представителей группы Асгард даст массу новых сведений об их — и нашем — общем предке. Шлепер старается. Как и Эттема. Как и Баум, который сказал, что его лаборатория скоро примет нового коллегу, который принесет флаконы с археями из таких групп, как Хеймдалль и Один. Как и Имачи, который отказался говорить с Quanta для этой истории.

«Если бы вы сейчас взяли у меня интервью, я бы, скорее всего, рассказал о новых данных, которые еще не были опубликованы», — пояснил он в электронном письме, добавив, что его группа приветствует усилия команды Шлепера. «Сейчас очень высокая конкуренция (хотя я не люблю такую ​​конкуренцию)», — добавил он.

Другие источники также сетовали на чрезмерно герметичную атмосферу. «Было бы неплохо, если бы область была более открытой для обмена», — сказал Спанг. Давление больше всего ложится на молодых ученых, которые, как правило, берутся за высокорисковые и высокодоходные проекты по развитию. Успех может добавить сияние природа бумагу к своему резюме. Но потраченные впустую годы на неудачную попытку могут подорвать их шансы когда-либо получить работу в науке. «Это действительно несправедливая ситуация, — сказал Шлепер.

Однако пока гонка продолжается. Когда кузены Баум опубликовали свои идеи об эукариогенезе в 2014 году, сказал Базз Баум, они предположили, что мы, вероятно, никогда не узнаем правду. Затем внезапно появились Асгарды, предложив новые проблески лиминальных, переходных стадий, которые превратили жизнь из одноклеточной простоты в бурную жизнь.

«Прежде чем мы уничтожим эту прекрасную планету, мы должны немного поискать, потому что на планете Земля есть крутые вещи, о которых мы ничего не знаем. Может быть, есть вещи, которые являются своего рода живыми ископаемыми — промежуточными состояниями», — сказал он. «Может быть, это на моей занавеске для душа».