İlkel Asgard Hücreleri, Yaşamı Karmaşıklığın Eşiğinde Gösteriyor

Bir meşe ağacı. Simbiyotik mantar, kökleri ile iç içe geçmiştir. Dallarından birinden cıvıldayan bir kardinal. Ortak atalarına dair şimdiye kadarki en iyi ipucumuz, Aralık ayında açıklanan elektron mikroskobu görüntülerine ulaşmış olabilir.

"Bakmak!" dedi mikrobiyolog Christa Schleper, Viyana Üniversitesi'ndeki web kamerasının önünde basılı, yüksek çözünürlüklü bir görüntü tutarken gözleri parladı. "Çok güzel değil mi?" Mikrograftaki hücreler, Medusa benzeri dallardan oluşan bir hale ile çevrili 500 nanometre genişliğindeki kürelerdi. Ekibi organizmayı ilk kez izole edip yetiştirmekle kalmamış, sallanan iplikçiklerinin neredeyse tüm karmaşık hücrelerde veya ökaryotlarda iskelet yapı iskelesi oluşturan protein olan aktinden yapıldığını göstermişti.

Ama bu karmaşık bir hücre değildi. Daha çok atalara ait, ilkel görünüyordu. Organizma, ilk olarak yayınlanan Tabiat, Asgard arkea adı verilen bir mikrop grubunun büyütülecek ve ayrıntılı olarak incelenecek yalnızca ikinci temsilcisidir. Onu altı yıl süren küçük bir kaşık dolusu deniz tabanı çamurundan büyümeye ikna etmek, huysuz bir ünlünün soyunma odasını hazırlamak gibiydi. Organizma santrifüjlenemez, karıştırılamaz, oksijene maruz bırakılamaz, arkadaş olduğu diğer birkaç mikroptan ayrılamaz veya buzul hızından daha hızlı büyümek için acele edilemezdi.

Aylarca hiç büyümedi. "Bilimde kendi geleceğim için de endişeleniyorum" dedi Thiago Rodrigues-OliveiraSchleper'in laboratuvarında postdoc olarak yeni türü yetiştirme çabalarına öncülük eden, inatçı tek bir organizmanın kaprislerine kendi kariyeri üzerine bahse giren Dr.

Başa çıkmaları dayanılmaz derecede zor olsa da, Asgard arkeaları artık bilimde en gıpta ile bakılan organizmalar arasında ve bunun iyi bir nedeni var. Pek çok evrimci biyoloğa göre, keşifleri ve sonraki çalışmaları, bizi - ve ökaryotik hücrelerden yapılmış diğer tüm canlıları - Asgard grubunun yalnızca dalları olarak konumlandırmak için ders kitaplarındaki hayat ağacı resimlerini gözden geçirmeyi haklı çıkarıyor.

Bu arada Asgard genomları üzerine yapılan çalışmalar, ökaryotların nasıl evrimleştiği sorusuna çok ihtiyaç duyulan verileri getirdi; bu, Dünya tarihinde tartışmalı tartışmalara ilham veren çığır açan bir olaydır. Bugüne kadar yapılan çalışmaların çoğu, Louis Pasteur'ün günlerinden beri mikrobiyolojide altın standart olan bir laboratuvarda canlı mikroplar üretmekle aynı fırsatları sunmayan Asgard grubunun dolaylı genetik araştırmalarına dayanmak zorunda kaldı.

Şimdi dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlar kendi Asgard kültürlerini büyütmeye çalışırken yüksek riskli, ağır çekim bir yarış var. Örnekler paylaşılmaz; büyüme stratejileri sıkı bir şekilde korunan sırlardır. Schleper ekibinin sonuçları açıklandığında "Dürüst olmak gerekirse şok olduk" yazdı. Hiroyuki İmachi12 yıllık meşakkatli bir çabanın ardından, ilk ve şu anda tek diğer Asgard arkea örneğini izole eden Japonya Deniz-Yer Bilimi ve Teknolojisi Ajansı'ndaki mikrobiyolog.

Sadece onlar değil. Thijs EttemaHollanda'daki Wageningen Üniversitesi'nde evrimsel bir mikrobiyolog olan Dr. "Bana söylemezler," dedi.

Bir Organizmanın Bir Araya Getirilmesi

Asgard arkeasına giden patika ilk olarak on yıl önce ısındı. İşte o zaman Ettema, Schleper ve Anja SpangŞu anda Amsterdam Üniversitesi'nde evrimsel bir mikrobiyolog olan , evrimsel bir kayıp halka olmasını umdukları şeyi bulmak için yola çıktı.

Biyologlar, bilinen tüm organizmaları üç taksonomik kutuya ayırmak için uzun süredir genetik verileri kullandılar: bakteri, arkea ve ökaryotlar. Ancak bu grupları birbirine bağlaması gereken soy ağacının nasıl çizileceği konusunda yüksek sesle fikir ayrılığına düştüler.

carl Woese1970'lerin sonlarında arkea'yı keşfeden nüfuzlu Amerikalı mikrobiyolog, üç grubun kendi başlarına durduğunu, her birinin onurlu olduğunu ve yaşamın farklı "alanlarını" temsil ettiğini savundu. Woese ve müttefiklerinin görüşüne göre arkea ve ökaryotlar, daha yaşlı bir atadan türeyen kardeş gruplardı. Muhalifleri, ökaryotların doğrudan arkelerden evrimleştiğini iddia ederek, yalnızca bakteri ve arkelerden oluşan "iki alanlı" bir ağaç savundular.

Oluşturulan kamplar; pozisyonlar sağlamlaştı. Spang, "Zamanda ne kadar geriye gittiğinizden bağımsız olarak, kökenimizle ilgili olan herhangi bir şey, insanların derinden önemsediği bir şeydir" dedi.

Yeni organizmalar izole edilmeden yıllar önce, mikrobiyal araştırmalar, dünyanın dört bir yanındaki deniz çökeltilerinde genomları ökaryotlarınkine şüpheli bir şekilde yakın olan, bilinmeyen bir arkea grubunun ipuçlarını aldı. liderliğindeki bir çalışma, Steffen JørgensenSchleper'in doktora öğrencisi, bu gizemli mikropların 2008'de Atlantik Okyanusu'ndaki bir hidrotermal baca yakınında toplanan deniz tabanındaki çamurda geliştiğini gösterdi. Aynı örneklerden 7.5 gram çamurla çalışan ekip, daha uzun başıboş DNA dizileri bulmaya başladı.

Ara hedefleri, mevcut her organizmadan genetik diziler elde etmek için metagenomik adı verilen 20 yıllık bir tekniği kullanmaktı. Spang, binlerce yapbozdan karışık bir yığın parçanız olduğunu hayal edin, diye açıkladı. İlk önce hangi parçaların her yapboza ait olduğunu bulursunuz. Sonra her bulmacayı bir araya getirirsiniz. Metagenomik, yalnızca çamurda gizlenen mikropların DNA'sından çalışarak genomları bu şekilde bir araya getirebilir.

O analiz2015 yılında yayınlanan, özellikle kışkırtıcı bir genomu ortaya çıkardı. Ait olduğu organizma, ökaryotik proteinlere çok benzeyen en az 175 protein geniyle şimdiye kadar keşfedilmiş en ökaryot benzeri arke gibi görünüyordu. Araştırmacılar, tüm ökaryotların, hayat ağacının iki alanlı versiyonunu güçlü bir şekilde destekleyen bir görüş olarak, tam da bu arkaonun yakın bir akrabasından türemiş olabileceğini savundu.

Ettema organizmaya Lokiarcheota adını verdi. İsim, örneklerin toplandığı yerin yakınındaki hidrotermal baca oluşumu olan Loki's Castle'a bir göndermeydi. Ancak 2015 makalesi ek bir neden daha verdi. Bir İskandinav edebiyatı uzmanından alıntı yaparak, "Loki, 'sayısız çözülmemiş akademik tartışmanın katalizörü olan şaşırtıcı derecede karmaşık, kafa karıştırıcı ve kararsız bir figür' olarak tanımlandı" diye yazdılar. Bu kinaye, karmaşık hücrelerin kökeni olan ökaryogenez etrafındaki çekişmeye uyuyor gibiydi.

Keşifleri kısa süre sonra üç alanlı modelin savunucuları tarafından eleştirildi. Loki organizmaları gerçekten var mıydı? Yoksa Spang metagenomik bulmaca çözmeyi yanlış mı yapmış ve birkaç farklı mikrobun genomlarını tek bir kimerik, hayali yaratığa mı karıştırmıştı?

Ancak çok geçmeden Ettema, Spang ve diğer birçok işbirlikçi, dünyanın dört bir yanındaki kaplıcalarda, akiferlerde ve hem tuzlu su hem de tatlı su tortularında Loki organizmasınınkine benzer genetik diziler ortaya çıkardı. Organizmalar hiç de nadir değildi. Sadece göz ardı edilmişlerdi.

Bilim adamları ortaya çıkan gruplara İskandinav mitolojisi temasına uygun yeni isimler verdi - Odin, Thor, Hel, Heimdall - ve tüm diyarı İskandinav tanrılarının yurdundan sonra Asgard arkea olarak adlandırdı. Ek genomlar, ökaryotik dalımızın bir Asgard atasından filizlendiği hayat ağacının iki alanlı versiyonunu daha da destekleyen pek çok ökaryot benzeri protein içeriyor gibi görünüyordu.

Buna rağmen, ökaryogenezin yaşamın soy ağacında nerede gerçekleştiğini çözmek, bu sürecin nasıl geliştiğine dair tartışmaları çözmek için çok az şey yaptı. Biyologlar, Asgard arkelerinin canlı örneklerini incelemenin, DNA parçalarına bakarak elde edebileceklerinden daha fazla içgörü sağlayabileceğinden şüpheleniyorlardı. 2015 yılında, Asgard grubu keşfedildikten kısa bir süre sonra Schleper, Avusturya'da bir Loki yetiştirmeye başladı.

Ancak, hepsinin haberi olmadan, biri Japonya'da xiulian uygulamasında çok yavaş bir şekilde çoğalıyordu.

Elde Edilmesi Zor Olan Bir Mikrop

Imachi, "Benim adım Hiro, 'hoşgörülü' anlamına geliyor" dedi. Kuantum 2020 röportajında. "Bence hoşgörülü ve sabırlı [olmak] - nasıl desek - hayatımda önemli."

2006 yılında, Japonya açıklarında mürettebatlı bir denizaltı, Shinkai 6500 okyanusun 2.5 kilometre altındaki bir açmanın tabanından siyah, kükürtlü tortudan bir çekirdek çıkardı. O yılın ilerleyen saatlerinde, Imachi bu tortunun bir kısmını derin deniz ortamını simüle edebilen biyoreaktörlere koydu; gelişmekte olan ülkeler için atık su arıtma sistemlerinden ekipman uyarlamıştı. Sonra bu garip bahçenin ne büyüyebileceğini görmek için yerleşti.

Metagenomik, bilinen kültüre alınabilir organizmaların tamamının, doğanın gerçek mikrobiyal çeşitliliğinin sadece bir kısmını temsil ettiğini zaten ortaya çıkarmıştı. O zamanlar yüksek lisans okulundan birkaç yıl sonra mezun olan Imachi, kariyerini tüm mikropları tarıma açma gibi Don Kişotvari bir amaca adamıştı. Laboratuvar çalışması için Loki gibi bir şey yetiştirmek, aynı anda birkaç göz korkutucu engeli aşmayı gerektirir.

İlk olarak, herhangi bir küçük deniz tabanı çamuru yüzlerce mikrobiyal türe ev sahipliği yapar. İstenmeyen bakterileri uzaklaştırmak için bakteriler için öldürücü olan ancak arkeler tarafından tolere edilen antibiyotikler ekleyebilirsiniz. Ancak antibiyotikler, hedef arkeonuzun onsuz yaşayamayacağı simbiyotik bakteri türlerini de öldürebilir. Bu nedenle, yalnızca uygun şekilde öldürücü olan bir tedavi bulmak için çeşitli antibiyotikleri farklı konsantrasyonlarda denemek gerekir.

İkincisi, hedef organizmanızın gelişmesi için doğru besin, ortam ve tortu karışımını bulmanız gerekir. Son olarak, hedefin bir elektron mikroskobu altında bulabilecek veya deneyler yapacak kadar yüksek konsantrasyonlara ulaşmasını beklemeli ve beklemelisiniz. . Mutlu olduğunda, Imachi'nin beslediği organizma yaklaşık iki veya üç haftada bir bölünür. Kıyasla, Escherichia coli, birçok mikrobiyoloji laboratuvarındaki bakteriyel beygir, sadece 20 dakika içinde mecburen kendini ikiye katlar.

Örnekleri Imachi'nin biyoreaktörüne girdikten beş buçuk yıl sonra, Japon ekibi içinde büyüyen her şeyi küçük cam tüplere aşıladı. Yaklaşık bir yıl sonra, antibiyotik dozlu bir tüpte hafif yaşam belirtileri fark ettiler. Ardından, Spang'ın 2015'te yayınladığı Lokiarcheota grubu Spang'ınkilerle eşleşen sekanslara sahip olduğunu gördükleri hedeflerini daha yüksek konsantrasyonlara zorlamaya başladılar.

2019 yazında, taslaklarını bir ön baskı sunucusuna yüklemeden kısa bir süre önce Imachi, Ettema'ya bir taslak makale gönderdi. başarılarını duyurmak. Ettema, yıllardır genetik dizilimler yoluyla incelediği yaratığa ilk bakışını hatırladı. “Farklı bir gezegenden bir organizma gibi görünüyordu” dedi. "Hiç böyle bir şey görmemiştim."

Japon grubun elektron mikroskobu görüntüleri, Loki organizmasının gerçek mi yoksa metagenomik bir yapıt mı olduğu konusundaki tartışmayı sona erdirdi. Ancak çalışmaları aynı zamanda Loki arkea hakkında iki önemli yeni keşif ortaya koydu: organizmanın kendisini küçük kollarla çevrelediği ve sülfat indirgeyen bir bakteri ve metan üreten başka bir arke türüyle birbirine bağlı kümeler halinde gelişiyor gibi göründüğü.

Bu arada, Schleper'in Avusturya'daki laboratuvarında, ilk altı yıllık hibe azalıyordu ve görünürde yeni bir fon yoktu. Organizmayı büyütme görevine atanan bir postdoc sonunda bilimi bırakmıştı. Başka bir ekip üyesi, bir teknisyen, o kadar çok pipetlemişti ki, karpal tünel sendromu için ameliyat olmaları gerekiyordu.

Ancak 2019 sonbaharında, Rodrigues-Oliveira tarafından başlatılan bir Loki organizması kültürü yavaş yavaş gelişmeye başladı. Japon suşunun yaklaşık yarısına bölündü ve 50 ila 100 kat daha yüksek yoğunluklara ulaştı. Öyle olsa bile, onunla çalışmak yine de bir sayfadan geçmek gibi olabilir. Waldo Nerede? kitap: Schleper, elektron mikroskobu aracılığıyla numuneleri 36 saat taradıktan sonra, ekibin yalnızca 17 ayrı numune tespit ettiğini söyledi.

Geçen Aralık ayında sonuçlarını açıkladılar. Tabiat. Bu Loki de, Schleper'in grubunun diğer organizmaları dolaştırıp onlarla etkileşime girebileceğini tahmin ettiği dokunaç benzeri ipliklere sahipti. Japon ekibi bir araya getirerek dokunaçların, ökaryotik hücrelerin destekleyici hücre iskeletleri oluşturduğu aktine çok benzeyen bir protein olan Lokiactin'den yapıldığını gösterdiler. Yani Lokiactin geni ökaryotik bir gen gibi olmakla kalmaz, aynı zamanda ökaryot benzeri bir işlev de gerçekleştirir.

Lokiactin geni, bilim adamlarının karşılaştığı yaklaşık 172 Asgard genomunun her birinde de ortaya çıkıyor. Bu, tüm grubun atasının - ve belki de tüm ökaryotların atasının - benzer bir proto-iskelete sahip olabileceği anlamına gelir.

Peki Schleper'in laboratuvarı organizmayla şimdi ne yapmaya çalışıyor? "Her şey!" dedi gülerek.

Karmaşık Hücreler Oluşturmak İçin Uzanmak

Asgard arkelerinin katkıda bulunduğu, artık baskın olan iki alanlı tablo içinde, bu gezegendeki yaşamın büyük hikayesi şöyle bir şey. Yaklaşık 4 milyar yıl önce, yaşam iki tek hücreli dala, arkea ve bakterilere ayrıldı.

Genetik kanıtlar, iki kolun 2 milyar yıl sonra -muhtemelen Asgard grubundan olan- bir arkeonun bir şekilde bir bakteri yutmasıyla tekrar kesiştiğini ima ediyor. Süreç, bir zamanlar ayrı, özgür yaşayan bir hücreyi evcilleştirdi ve onu ökaryotik hücrelerde varlığını sürdüren mitokondri adı verilen organellere dönüştürdü. Bu kaçınılmaz birliğin torunları, dinoflagellatlar gibi diğer tek hücreli organizmalara ve daha sonra makroskobik boyutlara ulaşan, geride fosiller bırakan ve hem denizde hem de karada kolonize olan çok hücreli canlılara dallandı.

Ancak bu anlatının arkasında duran teorisyenler bile bölünmüş kamplara aittir. Bazıları, mitokondri kazanmanın ökaryogenezdeki belirleyici olay olduğunu iddia ediyor. Diğerleri, mitokondrinin devam eden bir geçişte geç geldiği konusunda ısrar ediyor. "Zaten oldukça karmaşık ve oldukça ökaryot benzeri olan Asgard arkealarınız olabilirdi," dedi. Tom Williams, Bristol Üniversitesi'nde hesaplamalı bir mikrobiyolog. "Sonra, bu görüşün aşırı bir biçiminde, pastanın üzerindeki krema gibi mitokondri edindiler."

Şimdiye kadar, Asgard'ların mitokondri eksikliğine rağmen karmaşıklığının tartışmayı ikinci görüşe doğru yönlendirdiğini söyledi. Ancak Asgard'lar üzerine yapılan araştırmalardan elde edilen veriler, ökaryogenez tartışmasını başka şekillerde de sınırladı.

Her şeyden önce, şimdiye kadar yetiştirilen her iki Asgard'ı da diğer mikroplardan oluşan bir çevreden ayırmanın zor olduğu kanıtlandı. Japon Loki gibi, Avusturyalı organizmalar da kültürlerinde fazladan bir arke türüne ve başka bir sülfat indirgeyen bakteriye sahip olmayı tercih ediyor - hatta buna bağlı görünüyor. Ökaryogenez üzerine çalışan akademisyenler, örneğin Arıtma López-García Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi'ndeki bilim insanları, mitokondrilerin ilk kez bu tür beyinlerin içinden yakalandığı fikrini uzun süredir destekliyorlar. “sintropik” ortaklık, birden fazla türün birbirine bağlı olarak yaşadığı yer.

Lokis'in hareket eden dokunaçlara sahip olduğu bulgusu, adı verilen bir ökaryogenez senaryosuna akla yatkınlık katıyor. içten dışa modeli, Spang ve Schleper dedi. 2014 yılında hücre biyoloğu Vızıltı Baum University College London'da ve kuzeni, evrimsel biyolog david baum Wisconsin Üniversitesi'nden Madison, aile etkinliklerinde ortaya attıkları bir fikri öne sürdüler: İlk ökaryotlar, basit bir ata hücresinin hücre duvarlarının ötesine çıkıntılar yapmasından sonra doğdu. Önce bu kollar simbiyotik bir bakteriye ulaştı. Sonunda o partnerin çevresini kapatarak onu bir proto-mitokondriye dönüştürdüler. Hem orijinal arkeal hücre hem de yakalanan ortakyaşam, kollar tarafından sağlanan bir iskeletin içine sarılmıştı.

Asgard arkeleri hâlâ yalnızca çevresel DNA kırıntılarından biliniyorken, Baum bir konferansa katılanlardan organizmaların neye benzeyeceğini düşündüklerini çizmelerini istemişti. Dışarıya çıkan kollara sahip olacaklarını tahmin eden içten dışa fikirlere dayanan kendi çizimi, bir araya gelen diğer bilim adamlarını şaşırttı. Schleper, o sırada "bu komik öneride bulunmasının çok tuhaf" göründüğünü söyledi.

Rekabetçi Bir Atmosfer

Ökaryogenez olayları, aradan geçen zaman ve gen değiş tokuşuyla o kadar karartıldı ki, onları asla kesin olarak bilemeyebiliriz.

Örneğin, şu anda kültürde olan iki Loki türü, antik arkeadan, tıpkı yaşayan, şarkı söyleyen bir kardinalin evrimleştiği dinozor atalarından farklı olması gibi, modern zaman organizmalarıdır. Loki grubu, genetik analizlerin ökaryotlarla en yakından ilişkili olduğunu öne sürdüğü Asgard arkeasının alt kümesi bile değildir. (Bilinen Asgard genomlarına göre, ön baskı Ettema ve meslektaşları tarafından Mart ayında yayınlanan bir yazı, ökaryotların atasının bir Heimdall arkeonu olduğunu savundu.)

Yine de, dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlar, Asgard grubunun daha çeşitli temsilcilerini uygulamaya sokmanın, onların - ve bizim - ortak atamız hakkında yeni ipuçları bolluğu sağlayacağına dair kumar oynuyor. Schleper çabalıyor. Ettema da öyle. Laboratuvarının yakında Heimdall ve Odin gibi gruplardan arke şişeleri getirecek yeni bir meslektaşını karşılayacağını söyleyen Baum da öyle. Onunla konuşmayı reddeden Imachi de öyle. Kuantum bu hikaye için.

Bir e-postada, "Şimdi sizinle röportaj yapsaydım, büyük olasılıkla henüz yayınlanmamış yeni veriler hakkında konuşurdum" dedi ve grubunun Schleper ekibinin çabalarını alkışladığını ekledi. "Şu anda çok rekabetçi (bu tür rekabeti sevmeme rağmen)" diye ekledi.

Diğer kaynaklar da aşırı basınçlı atmosferden yakındı. Spang, "Sahanın paylaşıma daha açık olması güzel olurdu," dedi. Baskı, en çok, yüksek riskli, yüksek kazançlı yetiştirme projelerini üstlenme eğiliminde olan genç bilim adamlarının üzerindedir. Başarı parlayan ekleyebilir Tabiat özgeçmişlerine kağıt. Ancak başarısız bir çabayla yıllarını harcamak, bilimde bir iş bulma şanslarını azaltabilir. Schleper, "Bu gerçekten adaletsiz bir durum" dedi.

Ancak şimdilik yarış devam ediyor. Baum kuzenleri 2014'te ökaryogenez hakkındaki fikirlerini yayınladıklarında, Buzz Baum, muhtemelen gerçeği asla bilemeyeceğimizi varsaydıklarını söyledi. Sonra aniden Asgard'lar ortaya çıktı ve hayatı tek hücreli basitlikten aşırı hıza yükselten eşik, geçiş aşamalarına yeni bakışlar sundu.

"Bu güzel gezegeni yok etmeden önce biraz araştırma yapmalıyız çünkü Dünya gezegeninde hakkında hiçbir şey bilmediğimiz harika şeyler var. Belki bir tür yaşayan fosil olan şeyler vardır - aradaki durumlar” dedi. "Belki de duş perdemdedir."