Primitivne asgardske celice prikazujejo življenje na robu zapletenosti

Hrast. Simbiotska goba se je prepletla s svojimi koreninami. Kardinal, ki žvrgoli z ene od svojih vej. Naš najboljši namig do njihovega skupnega prednika bi lahko prispeli na slikah elektronskega mikroskopa, ki so bile predstavljene decembra.

"Poglej!" je dejal mikrobiolog Christa Schleper, sijoča, ko je držala natisnjeno sliko visoke ločljivosti pred svojo spletno kamero na Univerzi na Dunaju. "Ali ni lepo?" Celice na mikrofotografiji so bile 500 nanometrov široke krogle, obdane z Meduzi podobnim halojem vitic. Njena ekipa ni le izolirala in prvič gojila organizma, ampak je pokazala, da so njegovi plapolasti filamenti narejeni iz aktina, beljakovine, ki tvori skeletni oder v skoraj vseh kompleksnih celicah ali evkariontih.

Toda to ni bila zapletena celica. Videti je bilo bolj pradedovsko, prvinsko. Organizem, najprej objavljeno v Narava, je šele drugi predstavnik skupine mikrobov, imenovanih Asgard archaea, ki so ga gojili in podrobno preučevali. Nagovarjati ga, da je zrasel iz majhne žličke mulja z morskega dna, kar je trajalo šest let, je bilo kot pripravljati garderobo za temperamentno zvezdnico. Organizma ni bilo mogoče centrifugirati, premešati, izpostaviti kisiku, ločiti od nekaj drugih mikrobov, s katerimi se druži, ali pohiteti v rast hitreje od ledeniškega tempa.

Več mesecev sploh ni rasla. »Skrbelo me je tudi za lastno prihodnost v znanosti,« je rekel Thiago Rodrigues-Oliveira, ki je vodil prizadevanja za gojenje nove vrste kot podoktorski študij v Schleperjevem laboratoriju in stavil svojo kariero na muhe enega samega neposlušnega organizma.

Asgardske arheje so zdaj med najbolj zaželenimi organizmi v znanosti, čeprav se je z njimi neznosno težko spopasti, in to z dobrim razlogom. Številnim evolucijskim biologom njihovo odkritje in nadaljnje študije upravičujejo revizijo učbeniških slik drevesa življenja, da bi nas – in vsa druga bitja, zgrajena iz evkariontskih celic – umestili le kot odcepe asgardske skupine.

Študije genomov Asgarda so medtem prinesle zelo potrebne podatke za vprašanje, kako so se razvili evkarionti, kar je epohalen dogodek v zgodovini Zemlje, ki navdihuje sporne razprave. Večina dosedanjih študij se je morala zanašati na posredne genetske sonde skupine Asgard, ki ne ponujajo enakih priložnosti kot sukanje živih mikrobov v laboratoriju, zlati standard v mikrobiologiji od časov Louisa Pasteurja.

Zdaj poteka dirka z visokimi vložki in počasnim posnetkom, ko laboratoriji po vsem svetu poskušajo gojiti lastne asgardske kulture. Vzorci se ne delijo; strategije rasti so strogo varovane skrivnosti. "Bili smo pošteno šokirani," je zapisal, ko so prišli rezultati ekipe Schleper Hiroyuki Imachi, mikrobiolog pri japonski agenciji za morsko-zemeljsko znanost in tehnologijo, ki je po napornih 12-letnih naporih izoliral prvi in ​​trenutno edini drugi vzorec asgardskih arhej.

Niso edini. Thijs Ettema, evolucijski mikrobiolog na Univerzi Wageningen na Nizozemskem, je namignil, da je tudi njegov laboratorij napredoval pri obogatitvi asgardskih kultur, in domneval je, da vsaj 10 drugih laboratorijev izvaja podobne projekte. "Ne bi mi povedali," je rekel.

Sestavljanje organizma

Pot, ki je vodila do asgardskih arhej, se je prvič ogrela pred desetletjem. Takrat je ekipa, v kateri so bili Ettema, Schleper in Anja Spang, ki je zdaj evolucijski mikrobiolog na Univerzi v Amsterdamu, se je odločil najti tisto, za kar so upali, da bo evolucijski manjkajoči člen.

Biologi že dolgo uporabljajo genetske podatke za razvrščanje vseh znanih organizmov v tri taksonomske zabojnike: bakterije, arheje in evkarionte. Vendar so se glasno razhajali o tem, kako narisati družinsko drevo, ki naj povezuje te skupine.

Carl Woese, vplivni ameriški mikrobiolog, ki je odkril arheje v poznih sedemdesetih letih 1970. stoletja, je menil, da tri skupine stojijo vsaka zase, vsaka z enakim dostojanstvom in predstavlja različne »domene« življenja. Po mnenju Woeseja in njegovih zaveznikov so bile arheje in evkarionti sestrske skupine, ki izvirajo iz starejšega prednika. Njihovi nasprotniki so se zavzemali za "dvodomeno" drevo samo bakterij in arhej, pri čemer so trdili, da so se evkarionti razvili neposredno iz arhej.

Nastali tabori; položaji so se utrdili. »Vse, kar je povezano z našim izvorom, ne glede na to, kako daleč se vrnete v preteklost, je nekaj, kar ljudi zelo zanima,« je dejal Spang.

Leta preden so bili novi organizmi izolirani, so raziskave mikrobov odkrile namige o neznani skupini arhej z genomi, ki so sumljivo blizu genomom evkariontov v morskih sedimentih po vsem svetu. Ena študija, ki jo vodi Steffen Jørgensen, Schleperjev doktorski študent, je leta 2008 pokazal, da ti skrivnostni mikrobi uspevajo v blatu morskega dna, ki so ga izkopali blizu hidrotermalnega vrelca v Atlantskem oceanu. Z delom s 7.5 grama blata iz teh istih vzorcev je ekipa začela loviti daljša zaporedja potepuške DNK.

Njihov vmesni cilj je bil uporabiti 20 let staro tehniko, imenovano metagenomika, za pridobitev genetskih sekvenc iz vsakega prisotnega organizma. Predstavljajte si, da imate zmešan kup kosov iz tisočih sestavljank, je pojasnil Spang. Najprej ugotovite, kateri deli pripadajo posamezni sestavljanki. Nato vsako sestavljanko sestavite skupaj. Metagenomika lahko na ta način sestavi genome, ki delujejo le iz DNK mikrobov, ki se skrivajo v blatu.

Ta analiza, objavljen leta 2015, je odkril en posebej provokativen genom. Zdelo se je, da je organizem, ki mu je pripadal, najbolj evkariontu podoben arheon, kar so jih kdaj odkrili, z geni za vsaj 175 proteinov, ki so bili zelo podobni evkariontskim proteinom. Raziskovalci so trdili, da so vsi evkarionti morda izvirali iz bližnjega sorodnika prav tega arheona, kar močno podpira različico drevesa življenja z dvema domenama.

Ettema je organizem poimenoval Lokiarcheota. Ime je namigovalo na Lokijev grad, hidrotermalno tvorbo v bližini mesta, kjer so bili zbrani vzorci. Toda dokument iz leta 2015 je navedel dodaten razlog. "Loki je bil opisan kot 'osupljivo zapletena, zmedena in ambivalentna osebnost, ki je bila katalizator neštetih nerazrešenih znanstvenih polemik,'" so zapisali in citirali učenjaka skandinavske literature. Zdelo se je, da je aluzija ustrezala spornosti okoli evkariogeneze, izvora kompleksnih celic.

Njihovo odkritje se je kmalu znašlo na udaru zagovornikov modela treh domen. Ali so organizmi Loki res obstajali? Ali pa se je Spang zmotil pri reševanju metagenomske uganke in zmešal genome več različnih mikrobov v eno himerično, namišljeno bitje?

Toda kmalu so Ettema, Spang in številni drugi sodelavci odkrili genetska zaporedja, podobna zaporedju organizma Loki v vročih vrelcih, vodonosnikih ter v slanih in sladkovodnih usedlinah po vsem svetu. Organizmi sploh niso bili redki. Samo spregledali so jih.

Znanstveniki so nastajajočim skupinam dali nova imena, ki so se držala teme nordijske mitologije - Odin, Thor, Hel, Heimdall - in celotno kraljestvo imenovali asgardske arheje, po domovanju nordijskih bogov. Zdi se, da so dodatni genomi vključevali tudi številne evkariontskim podobne beljakovine, ki so dodatno podpirale dvodomensko različico drevesa življenja, v katerem je naša evkariontska veja vzklila iz asgardskega prednika.

Kljub temu je ugotovitev, kje v družinskem drevesu življenja se je zgodila evkariogeneza, le malo pripomogla k razrešitvi razprav o tem, kako se je ta proces odvijal. Biologi so domnevali, da bi preučevanje živih primerkov asgardskih arhej lahko prineslo več vpogledov, kot bi jih lahko zbrali z ogledovanjem fragmentov DNK. Leta 2015, kmalu po odkritju skupine Asgard, je Schleper začel gojiti Loki v Avstriji.

Ne da bi vsi vedeli, se je eno že razmnoževalo, zelo počasi, v gojenju na Japonskem.

Mikrob, ki ga je težko dobiti

"Moje ime, Hiro, pomeni 'toleranten'," je povedal Imachi Quanta v intervjuju leta 2020. "Mislim, da je [biti] toleranten in potrpežljiv - kako naj rečem - pomembno v mojem življenju."

Leta 2006 je ob obali Japonske podmornica s posadko, imenovana Shinkai 6500 izvrtal jedro črne žveplove usedline iz dna jarka pod 2.5 kilometra oceana. Kasneje istega leta je Imachi dal nekaj te usedline v bioreaktorje, ki bi lahko simulirali globokomorsko okolje; prilagodil je opremo iz sistemov za čiščenje odplak za države v razvoju. Potem se je namestil, da bi videl, kaj lahko raste na tem čudnem vrtu.

Metagenomika je že razkrila, da vsi znani organizmi, ki jih je mogoče gojiti, predstavljajo le delček resnične mikrobne raznolikosti narave. Imachi, ki je takrat nekaj let končal podiplomski študij, je svojo kariero posvetil donkihotskemu cilju, da bi vse mikrobe spravili v kultivacijo. Za gojenje nečesa podobnega Lokiju za laboratorijske študije pa bi bilo treba odpraviti več zastrašujočih ovir hkrati.

Prvič, vsak majhen košček blata morskega dna gosti na stotine mikrobnih vrst. Če želite odstraniti neželene bakterije, lahko dodate antibiotike, ki so smrtonosni za bakterije, vendar jih arheje prenašajo. Toda antibiotiki lahko ubijejo tudi simbiotične bakterijske vrste, brez katerih vaš ciljni arheon ne more živeti. Zato je treba eksperimentirati z različnimi antibiotiki v različnih koncentracijah, da bi našli zdravljenje, ki je le ustrezno smrtonosno.

Drugič, poiskati morate pravo mešanico hranil, gojišča in usedlin, v katerih bo vaš ciljni organizem uspeval. Končno morate počakati in počakati, da ciljna koncentracija zraste do dovolj visokih koncentracij, da jih lahko najdete pod elektronskim mikroskopom ali za eksperimentiranje. . Ko je srečen, se organizem, ki ga je gojil Imachi, razdeli približno enkrat na dva ali tri tedne. Za primerjavo, Escherichia coli, bakterijski vlečni konj v številnih mikrobioloških laboratorijih, se uslužno podvoji v samo 20 minutah.

Pet let in pol po tem, ko so njihovi vzorci šli v Imachijev bioreaktor, je japonska ekipa vse, kar je raslo v notranjosti, cepila v majhne steklene cevke. Po približno enem letu so opazili šibke znake življenja v eni tubi z antibiotiki. Nato so začeli poskušati potisniti svojo tarčo - za katero so videli, da ima zaporedja, ki se ujemajo s tistimi skupine Lokiarcheota, ki jih je Spang objavil leta 2015 - na višje koncentracije.

Poleti 2019, tik pred nalaganjem njihovega rokopisa na strežnik za predtisk, je Imachi Ettemi poslal osnutek dokumenta napovedujejo njihov uspeh. Ettema se je spomnil svojega prvega vpogleda v bitje, ki ga je leta preučeval skozi genetske sekvence. "Videti je bilo kot organizem z drugega planeta," je dejal. "Še nikoli nisem videl česa takega."

Slike japonske skupine z elektronskim mikroskopom so končale razpravo o tem, ali je bil organizem Loki resničen ali artefakt metagenomike. Toda njihovo delo je tudi vzpostavilo dve ključni novi odkritji o arheji Loki: da se je organizem obdal z drobnimi rokami in da se je zdelo, da uspeva v soodvisnih gručah z bakterijo, ki reducira sulfat, in drugo vrsto arheona, ki proizvaja metan.

Medtem se je v Schleperjevem laboratoriju v Avstriji prvotna šestletna nepovratna sredstva usihala, novega financiranja pa ni bilo na vidiku. Eden od podoktorjev, ki so mu dodelili nalogo vzgoje organizma, je na koncu zapustil znanost. Drugi član ekipe, tehnik, je odpipetiral toliko, da so potrebovali operacijo zaradi sindroma karpalnega kanala.

Jeseni 2019 pa se je začela razvijati kultura organizma Loki, ki jo je začel Rodrigues-Oliveira. Razdelil se je v približno polovici časa kot japonski sev in dosegel 50- do 100-krat večjo gostoto. Kljub temu je delo z njim še vedno lahko kot listanje Kje je Waldo? knjiga: V 36 urah skeniranja vzorcev skozi elektronski mikroskop, je dejal Schleper, je ekipa opazila le 17 posameznih vzorcev.

Decembra lani so svoje rezultate predstavili v Narava. Tudi ta Loki je imel lovkam podobne filamente, za katere Schleperjeva skupina domneva, da bi lahko zapletle druge organizme in z njimi vplivale. Z zajemanjem japonske ekipe so pokazali, da so lovke narejene iz beljakovine Lokiactin, ki je zelo podobna aktinu, s katerim evkariontske celice gradijo podporne citoskelete. Torej ni le, da je gen Lokiactin podoben evkariontskemu genu, ampak opravlja evkariontsko podobno funkcijo.

Gen Lokiactin se pojavi tudi v vsakem od približno 172 genomov Asgarda, na katere so naleteli znanstveniki. To pomeni, da je prednik celotne skupine - in morda prednik vseh evkariontov - morda imel podoben proto-skelet.

Torej, kaj Schleperjev laboratorij zdaj poskuša narediti z organizmom? "Vse!" je rekla in se smejala.

Doseganje za oblikovanje kompleksnih celic

Znotraj zdaj prevladujoče slike dveh domen, h kateri prispevajo asgardske arheje, gre velika zgodba o življenju na tem planetu nekako takole. Pred približno 4 milijardami let se je življenje razcepilo na dve enocelični veji, arheje in bakterije.

Genetski dokazi kažejo, da sta se obe veji ponovno križali 2 milijardi let pozneje, ko je arheon — verjetno iz skupine Asgard — nekako zaužil bakterijo. Proces je udomačil tisto, kar je bila nekoč posebna, prostoživeča celica, in jo spremenil v organele, imenovane mitohondriji, ki vztrajajo v evkariontskih celicah. Potomci te usodne zveze so se razvejali v druge enocelične organizme, kot so dinoflagelati, nato pa kasneje v večcelična bitja, ki so zrasla do makroskopskih velikosti, za seboj pustila fosile in kolonizirala tako morje kot kopno.

A tudi teoretiki, ki stojijo za to pripovedjo, pripadajo razdeljenim taborom. Nekateri trdijo, da je bilo pridobivanje mitohondrijev odločilni dogodek v evkariogenezi. Drugi vztrajajo, da so mitohondriji prispeli pozno v tekočem prehodu. "Mogoče ste imeli asgardske arheje, ki so bile že precej zapletene in precej podobne evkariontom," je dejal Tom Williams, računalniški mikrobiolog na Univerzi v Bristolu. "Potem so pridobili mitohondrije, v skrajni obliki tega pogleda, kot nekakšno češnjo na torti."

Doslej je dejal, da je zapletenost Asgardov kljub pomanjkanju mitohondrijev nagnila razpravo k slednjemu pogledu. Toda podatki iz raziskav o Asgardih so tudi na druge načine omejili razpravo o evkariogenezi.

Prvič, oba Asgarda, ki sta bila do sedaj gojena, se je izkazalo za težko ločiti od spremstva drugih mikrobov. Tako kot japonski Loki se zdi, da imajo avstrijski organizmi raje - celo odvisni od - dodatno vrsto arheona in drugo bakterijo, ki reducira sulfat, v kulturi z njimi. Znanstveniki, ki se ukvarjajo z evkariogenezo, kot npr Purificación López-García v Francoskem nacionalnem centru za znanstvene raziskave že dolgo spodbujajo idejo, da so bili mitohondriji najprej ujeti iz notranjosti prav te vrste »sintropsko« partnerstvo, kjer več vrst živi soodvisno.

Ugotovitev, da ima Lokis aktinske lovke, dodaja verjetnost scenariju evkariogeneze, imenovanemu model od znotraj navzven, sta rekla Spang in Schleper. Leta 2014 celični biolog Buzz Baum na University College London in njegov bratranec, evolucijski biolog David Baum z Univerze Wisconsin v Madisonu predlagal idejo, ki so jo brcali na družinskih dogodkih: da so se prvi evkarionti rodili po tem, ko je preprosta celica prednikov razširila štrline mimo svojih celičnih sten. Najprej so te roke segle do simbiotske bakterije. Sčasoma so se zaprli okoli tega partnerja in ga spremenili v proto-mitohondrij. Prvotna arhealna celica in ujeti simbiot sta bili oviti v okostje, ki sta ga zagotovili roki.

Ko so bile asgardske arheje še vedno znane samo iz ostankov okoljske DNK, je Baum prosil udeležence na konferenci, naj narišejo, kako bi po njihovem mnenju izgledali organizmi. Njegova lastna risba, ki temelji na idejah Inside-out, ki je predvidevala, da bodo imeli štrleče roke, je presenetila ostale zbrane znanstvenike. Takrat je dejal Schleper, da se je zdelo "tako čudno, da daje ta smešen predlog."

Tekmovalno vzdušje

Dogodki evkariogeneze so bili zaradi vmesnega časa in zamenjave genov tako prikriti, da jih morda nikoli ne bomo vedeli z gotovostjo.

Dve vrsti Loki, ki sta trenutno v kulturi, sta na primer sodobni organizmi, ki se razlikujeta od starodavnih arhej na enak način, kot se živi, ​​pojoči kardinal razlikuje od dinozavra prednika, iz katerega se je razvil. Skupina Loki sploh ni podmnožica asgardskih arhej, za katero genetske analize kažejo, da je najtesneje povezana z evkarionti. (Na podlagi znanih genomov Asgarda, predznak ki so ga marca objavili Ettema in njegovi kolegi, so trdili, da je bil prednik evkariontov Heimdallov arheon.)

Kljub temu laboratoriji po vsem svetu igrajo na srečo, da bo vključevanje bolj raznolikih predstavnikov skupine Asgard v kultivacijo prineslo bogastvo novih namigov o njihovem – in našem – skupnem predniku. Schleper se trudi. Prav tako Ettema. Prav tako Baum, ki je dejal, da bo njegov laboratorij kmalu sprejel novega kolega, ki bo prinesel viale z arhejami iz skupin, kot sta Heimdall in Odin. Prav tako Imachi, ki ni hotel govoriti z njim Quanta za to zgodbo.

"Če bi me zdaj intervjuvali, bi najverjetneje govoril o novih podatkih, ki še niso bili objavljeni," je pojasnil v elektronskem sporočilu in dodal, da je njegova skupina pozdravila prizadevanja ekipe Schleper. "Zdaj je zelo tekmovalno (čeprav ne maram tovrstne konkurence)," je dodal.

Tudi drugi viri so obtoževali nad previsokim pritiskom v ozračju. "Lepo bi bilo, če bi bilo področje bolj odprto za skupno rabo," je dejal Spang. Pritisk je najmočnejši na mlade znanstvenike, ki se nagibajo k visoko tveganim in visoko nagrajenim projektom gojenja. Uspeh lahko doda sijaj Narava papir v svoj življenjepis. Toda zapravljanje let za neuspešno prizadevanje lahko zmanjša njihove možnosti, da bi kdaj dobili službo v znanosti. "To je res nepoštena situacija," je dejal Schleper.

Za zdaj pa se dirka nadaljuje. Ko so bratranci Baum leta 2014 objavili svoje ideje o evkariogenezi, je dejal Buzz Baum, so domnevali, da verjetno ne bomo nikoli izvedeli resnice. Nato so se nenadoma pojavili Asgardci, ki so ponudili nove vpoglede v mejne, prehodne stopnje, ki so življenje dvignile iz enocelične preprostosti v prehitro.

»Preden uničimo ta čudovit planet, bi morali malo pogledati, ker so na planetu Zemlja kul stvari, o katerih ne vemo ničesar. Mogoče obstajajo stvari, ki so nekakšni živi fosili – stanja vmes,« je dejal. "Mogoče je na moji zavesi za prho."