Примітивні клітини Асгарда демонструють життя на межі складності

Дуб. Симбіотичний гриб переплітався з його корінням. Кардинал цвірінькає з однієї з гілок. Наша найкраща підказка до їх спільного предка, можливо, прибула на зображеннях електронного мікроскопа, які були представлені в грудні.

«Дивіться!» – сказав мікробіолог Кріста Шлепер, сяючи, тримаючи надруковане зображення високої роздільної здатності перед своєю веб-камерою у Віденському університеті. «Хіба це не красиво?» Клітини на мікрофотографії являли собою кулі шириною 500 нанометрів, оточені схожим на Медузу ореолом вусиків. Її команда не лише вперше виділила та культивувала організм, але й показала, що його хвилясті нитки складаються з актину, білка, який утворює скелетний каркас майже у всіх складних клітинах, або еукаріотах.

Але це не була складна клітина. Це виглядало більш предківським, споконвічним. Організм, по-перше опубліковані в природа, є лише другим представником групи мікробів під назвою Асгардські археї, яку вирощують і детально вивчають. Змусити його вирости з крихітної ложечки мулу морського дна, що зайняло шість років, було схоже на підготовку гримерки для темпераментної знаменитості. Організм не можна було відцентрифугувати, перемішати, піддати дії кисню, відокремити від кількох інших мікробів, з якими він товаришує, або поспішити рости швидше, ніж льодовиковий темп.

Місяцями воно навіть не росло зовсім. «Я також хвилювався за своє власне майбутнє в науці», - сказав Тьяго Родрігес-Олівейра, який очолював зусилля з культивування нового виду як постдоктор в лабораторії Шлепера, поставивши власну кар’єру на примхи одного непокірного організму.

Незважаючи на те, що з ними нестерпно важко боротися, асгардські археї зараз є одними з найбільш бажаних організмів у науці, і це не дарма. Для багатьох біологів-еволюціоністів їх відкриття та подальші дослідження виправдовують перегляд зображень дерева життя в підручниках, щоб вважати нас — і будь-яку іншу істоту, побудовану з еукаріотичних клітин — простими відгалуженнями групи Асгард.

Дослідження геномів Асгарда, тим часом, принесли вкрай необхідні дані для питання про те, як еволюціонували еукаріоти, епохальна подія в історії Землі, яка надихає суперечливі дебати. Більшість досліджень на сьогоднішній день покладалися на непрямі генетичні зонди групи Асгард, які не дають таких же можливостей, як дослідження живих мікробів у лабораторії, золотого стандарту в мікробіології з часів Луї Пастера.

Зараз триває повільна гонка з високими ставками, оскільки лабораторії по всьому світу намагаються виростити власні культури Асгарду. Зразки не поширюються; стратегії зростання — суворо охороняються секрети. «Ми були чесно шоковані», коли оприлюднили результати команди Schleper Хіроюкі Імачі, мікробіолог з Японського агентства морських і земних наук і технологій, який після виснажливих 12 років зусиль виділив перший і наразі єдиний інший зразок архей Асгарда.

Вони не єдині. Тійс Еттема, еволюційний мікробіолог з Університету Вагенінгена в Нідерландах, натякнув, що його лабораторія також досягла прогресу в збагаченні культур Асгарда, і він припустив, що щонайменше 10 інших лабораторій мають подібні проекти. «Вони б мені не сказали», — сказав він.

Збираємо організм разом

Стежка, яка вела до архей Асгарда, вперше прогрілася десять років тому. Саме тоді команда, до складу якої входили Еттема, Шлепер і Аня Спанг, який зараз є еволюційним мікробіологом в Університеті Амстердама, вирішив знайти те, що, як вони сподівалися, буде еволюційною відсутньою ланкою.

Біологи давно використовували генетичні дані, щоб розділити всі відомі організми на три таксономічні групи: бактерії, археї та еукаріоти. Але вони різко розходилися в тому, як намалювати генеалогічне дерево, яке повинно об’єднати ці групи.

Карл Возе, впливовий американський мікробіолог, який відкрив археї наприкінці 1970-х років, стверджував, що ці три групи стоять самі по собі, кожна однакова за гідністю, представляючи різні «області» життя. На думку Возе та його союзників, археї та еукаріоти були сестринськими групами, що походять від старшого прабатька. Їхні опоненти виступали за «дводоменне» дерево лише з бактерій і архей, стверджуючи, що еукаріоти еволюціонували безпосередньо з архей.

Сформовані табори; позиції зміцнилися. «Все, що пов’язано з нашим походженням, незалежно від того, як далеко ви повертаєтесь у минуле, — це те, що дуже хвилює людей», — сказав Спанг.

За роки до того, як нові організми були ізольовані, мікробні дослідження виявили натяки на невідому групу архей з геномами, підозріло близькими до геномів еукаріотів у морських відкладеннях по всьому світу. Одне дослідження під керівництвом Штеффен Йоргенсен, докторант Шлепера, показав, що ці таємничі мікроби процвітають у мулі з морського дна, вичерпаному поблизу гідротермального джерела в Атлантичному океані в 2008 році. Працюючи з 7.5 грамами мулу з тих самих зразків, команда почала виловлювати довші послідовності заблуканої ДНК.

Їхньою проміжною метою було використання методики 20-річної давності під назвою метагеноміка для отримання генетичних послідовностей від кожного наявного організму. Уявіть, що у вас є купа шматочків із тисяч головоломок, – пояснив Спанг. Спочатку ви визначите, які частини належать до кожної головоломки. Потім ви складаєте кожен пазл разом. Метагеноміка може збирати геноми таким чином, працюючи лише з ДНК мікробів, що ховаються в багнюці.

Той аналіз, опублікований у 2015 році, виявив один особливо провокаційний геном. Організм, якому він належав, здавався найбільш схожим на еукаріотів археоном з коли-небудь відкритих, з генами щонайменше 175 білків, які дуже нагадували білки еукаріотів. Дослідники стверджували, що всі еукаріоти могли походити від близького родича того самого археону, що рішуче підтримує дводоменну версію дерева життя.

Еттема назвав організм Lokiarcheota. Назва була натяком на замок Локі, гідротермальний джерело, поблизу якого були зібрані зразки. Але документ 2015 року навів додаткову причину. «Локі описували як «приголомшливо складну, заплутану та неоднозначну фігуру, яка стала каталізатором незліченних невирішених наукових суперечок», — написали вони, цитуючи дослідника скандинавської літератури. Цей натяк, здавалося, відповідав суперечкам навколо еукаріогенезу, походження складних клітин.

Невдовзі їхнє відкриття піддалося критикі з боку прихильників моделі трьох доменів. Чи справді існували організми Локі? Або Спанг неправильно розгадав метагеномну головоломку і змішав геноми кількох різних мікробів в одну химерну уявну істоту?

Але незабаром Еттема, Спанг та багато інших співробітників виявили генетичні послідовності, подібні до послідовностей організму Локі, у гарячих джерелах, водоносних горизонтах, а також у солоних і прісноводних відкладах по всьому світу. Організми зовсім не були рідкісними. Їх просто не помітили.

Вчені дали новим групам нові назви, які дотримувалися теми скандинавської міфології — Одін, Тор, Хель, Хеймдал — і називали все царство археями Асгарда, на честь домівки скандинавських богів. Додаткові геноми, здавалося, також включали багато білків, подібних до еукаріотів, що додатково підтверджувало дводоменну версію дерева життя, в якому наша еукаріотична гілка виникла від предка Асгарда.

Незважаючи на це, визначення місця еукаріогенезу в генеалогічному дереві життя мало допомогло вирішити дебати навколо того, як цей процес розгортався. Біологи підозрювали, що вивчення живих екземплярів асгардських архей може дати більше інформації, ніж вони могли б отримати, дивлячись на фрагменти ДНК. У 2015 році, незабаром після того, як було виявлено Асгардську групу, Шлепер почав намагатися виростити Локі в Австрії.

Проте, навіть не знаючи їх усіх, один уже розмножувався, дуже повільно, у вирощуванні в Японії.

Мікроб, якого важко дістати

«Моє ім’я, Хіро, означає «толерантний», — сказав Імачі Quanta в інтерв'ю 2020 року. «Я думаю, що [бути] толерантним і терплячим — як би це сказати — важливо в моєму житті».

У 2006 році біля берегів Японії підводний апарат з екіпажем під назвою The Шинкай 6500 пробурив керн чорного сірчаного осаду з дна траншеї під 2.5 кілометрами океану. Пізніше того ж року Імачі помістив частину цього осаду в біореактори, які могли б імітувати глибоководне середовище; він адаптував обладнання систем очищення стічних вод для країн, що розвиваються. Потім він оселився, щоб подивитися, що може вирости в цьому дивному саду.

Метагеноміка вже виявила, що всі відомі культивовані організми являють собою лише частину справжнього мікробного різноманіття природи. Імачі, який на той час закінчив аспірантуру кілька років, присвятив свою кар’єру донкіхотській меті виведення всіх мікробів на культивацію. Щоб виростити щось на кшталт Локі для лабораторних досліджень, потрібно подолати кілька складних перешкод одночасно.

По-перше, будь-який маленький шматочок мулу морського дна містить сотні видів мікробів. Щоб знищити небажані бактерії, можна додати антибіотики, які є смертельними для бактерій, але переносяться археями. Але антибіотики також можуть вбивати симбіотичні види бактерій, без яких не може жити ваш цільовий археон. Отже, необхідно експериментувати з різними антибіотиками в різних концентраціях, щоб знайти лікування, яке буде смертельним.

По-друге, ви повинні знайти правильне поєднання поживних речовин, середовища та опадів, щоб ваш цільовий організм процвітав. Нарешті, ви повинні чекати і чекати, поки ціль виросте до достатньо високих концентрацій, щоб знайти під електронним мікроскопом або експериментувати. . Коли він щасливий, організм, який плекав Імачі, ділиться приблизно раз на два-три тижні. Для порівняння, Кишкова паличка, бактеріальна робоча конячка в багатьох мікробіологічних лабораторіях, люб’язно подвоюється всього за 20 хвилин.

Через п’ять з половиною років після того, як їхні зразки потрапили в біореактор Імачі, японська команда засіяла все, що росло всередині, у маленькі скляні трубочки. Приблизно через рік вони помітили слабкі ознаки життя в одній пробірці з антибіотиками. Потім вони почали намагатися підштовхнути свою мішень — яка, як вони бачили, мала послідовності, що збігаються з тими, які група Lokiarcheota опублікувала Спанг у 2015 році — до вищих концентрацій.

Влітку 2019 року, незадовго до завантаження рукопису на сервер препринтів, Імачі надіслав Еттемі чернетку статті оголошуючи про їхні успіхи. Еттема пригадав свій перший погляд на істоту, яку він вивчав через генетичні послідовності роками. «Це виглядало як організм з іншої планети», — сказав він. «Я ніколи не бачив нічого подібного».

Зображення японської групи з електронного мікроскопа поклали край дискусії про те, чи був організм Локі реальним чи артефактом метагеноміки. Але їхня робота також встановила два важливі нові відкриття про архей Локі: що організм оточував себе крихітними рукавами і що він, здавалося, процвітав у співзалежних згустках із сульфатвідновлюючою бактерією та іншим видом археонів, які виробляли метан.

Тим часом у лабораторії Шлепера в Австрії початковий шестирічний грант скорочувався, а нового фінансування не було в помині. Один постдоктор, якому було призначено завдання виростити організм, зрештою залишив науку. Інший член команди, технік, відпіпетував так багато, що їм потрібна була операція з приводу синдрому зап’ястного каналу.

Однак восени 2019 року культура організму Локі, започаткована Родрігесом-Олівейрою, почала розвиватися. Він ділився приблизно вдвічі швидше, ніж японський штам, і досягав щільності в 50-100 разів більшої. Незважаючи на це, робота з ним може бути схожа на гортання Де Вальдо? Книга: За 36 годин сканування зразків через електронний мікроскоп, сказав Шлепер, команда помітила лише 17 окремих зразків.

Минулого грудня вони оприлюднили свої результати в природа. Цей Локі також мав нитки, схожі на щупальця, які, за припущеннями групи Шлепера, могли заплутувати інші організми та взаємодіяти з ними. Захоплюючись японською командою, вони показали, що щупальця складаються з білка Локіактину, який дуже нагадує актин, за допомогою якого еукаріотичні клітини будують опорні цитоскелети. Таким чином, ген Lokiactin не тільки схожий на ген еукаріотів, але й виконує функцію, подібну до еукаріотів.

Ген Lokiactin також з’являється в кожному з приблизно 172 геномів Асгарда, з якими стикалися вчені. Це означає, що предок усієї групи — і, можливо, предок усіх еукаріотів — міг мати подібний протоскелет.

Отже, що зараз лабораторія Шлепера намагається зробити з організмом? “Все!” - сказала вона, сміючись.

Дотягнення до формування складних клітин

У теперішній домінуючій дводоменній картині, до якої вносять свій внесок асгардські археї, велика історія життя на цій планеті виглядає приблизно так. Близько 4 мільярдів років тому життя розділилося на дві одноклітинні гілки — археї та бактерії.

Генетичні дані свідчать про те, що дві гілки знову схрестилися через 2 мільярди років, коли археон — ймовірно з групи Асгард — якимось чином проковтнув бактерію. Цей процес одомашнив те, що колись було окремою, вільноживучою клітиною, і перетворив її на органели, які називаються мітохондріями, які зберігаються в еукаріотичних клітинах. Нащадки цього доленосного союзу розгалужувалися на інші одноклітинні організми, такі як динофлагеляти, а потім на багатоклітинні істоти, які виросли до макроскопічних розмірів, залишили скам’янілості та колонізували як море, так і сушу.

Але навіть теоретики, які стоять за цим наративом, належать до розділених таборів. Деякі стверджують, що отримання мітохондрій було визначальною подією в еукаріогенезі. Інші наполягають на тому, що мітохондрії прибули із запізненням під час поточного переходу. «Можливо, у вас були асгардські археї, які вже були досить складними та дуже схожими на еукаріоти», — сказав Том Вільямс, обчислювальний мікробіолог з Брістольського університету. «Потім вони придбали мітохондрії, в крайній формі цього погляду, як свого роду вишеньку на торті».

Наразі, за його словами, складність Асгардів, незважаючи на відсутність у них мітохондрій, схилила дискусію до останньої точки зору. Але дані, отримані в результаті досліджень на Асгарді, також обмежили дебати про еукаріогенез іншими способами.

По-перше, обидва культивовані Асгарди важко відокремити від оточення інших мікробів. Подібно до японського Локі, австрійські організми, здається, віддають перевагу — навіть залежать від — мати в культурі додатковий вид археону та іншу сульфатвідновлюючу бактерію. Вчені, які працюють над еукаріогенезом, наприклад Purificación López-García у Французькому національному центрі наукових досліджень давно пропагували ідею, що мітохондрії вперше були захоплені зсередини саме такого роду «синтропне» партнерство, де кілька видів живуть взаємозалежно.

Виявлення того, що Локі мають актинові щупальця, додає правдоподібності сценарію еукаріогенезу, який називається модель навиворіт, - сказали Спанг і Шлепер. У 2014 р. клітинний біолог Базз Баум в Університетському коледжі Лондона та його двоюрідний брат, еволюційний біолог Девід Баум з Університету Вісконсіна, Медісон, запропонували ідею, яку вони обговорювали на сімейних заходах: що перші еукаріоти народилися після того, як проста предкова клітина вийшла за межі своїх клітинних стінок. Спочатку ці руки потягнулися до симбіотичної бактерії. Згодом вони замкнулися навколо цього партнера, перетворивши його на протомітохондрію. І вихідна клітина археї, і спійманий симбіот були огорнуті скелетом, наданим руками.

У той час, коли асгардські археї були ще відомі лише з фрагментів ДНК навколишнього середовища, Баум попросив присутніх на конференції намалювати, як, на їхню думку, виглядатимуть ці організми. Його власний малюнок, заснований на ідеях «навиворіт», який передбачав, що вони будуть мати виступаючі руки, здивував інших вчених. У той час, сказав Шлепер, це здавалося «таким дивним, що він робить таку смішну пропозицію».

Конкурентна атмосфера

Події еукаріогенезу були настільки затемнені проміжним часом і заміною генів, що ми можемо ніколи не знати про них з упевненістю.

Наприклад, два види Локі, які зараз знаходяться в культурі, є сучасними організмами, які відрізняються від стародавніх архей так само, як живий співочий кардинал відрізняється від предкового динозавра, від якого він еволюціонував. Група Локі навіть не є тією підмножиною асгардських архей, які, згідно з генетичним аналізом, найбільш тісно пов’язані з еукаріотами. (На основі відомих геномів Асгарда, препринт опублікований Еттемою та його колегами в березні стверджував, що предком еукаріотів був археон Геймдалля.)

Тим не менш, лабораторії в усьому світі грають на те, що залучення більш різноманітних представників групи Асгард в культивацію дасть чимало нових підказок про їхнього — і нашого — спільного предка. Шлепер намагається. Так само й Еттема. Так само і Баум, який сказав, що незабаром його лабораторія вітає нового колегу, який привезе флакони з археями від таких груп, як Хеймдалль і Одін. Як і Імачі, який відмовився говорити з ним Quanta для цієї історії.

«Якби у мене зараз ви взяли інтерв’ю, я б, швидше за все, говорив про нові дані, які ще не були опубліковані», — пояснив він в електронному листі, додавши, що його група аплодувала зусиллям команди Schleper. «Зараз дуже конкуренція (хоча я не люблю таку конкуренцію)», – додав він.

Інші джерела також нарікали на надто високий тиск в атмосфері. «Було б чудово, якби поле було більш відкритим для обміну», — сказав Спанг. Найбільший тиск лягає на молодих вчених, які, як правило, беруться за високоризиковані та високооплачувані проекти вирощування. Успіху можна додати сяйво природа папір до свого резюме. Але марнування років на невдалу спробу може знизити їхні шанси коли-небудь отримати роботу в науці. "Це дійсно несправедлива ситуація", - сказав Шлепер.

Однак поки що гонка триває. Коли двоюрідні брати Баум опублікували свої ідеї щодо еукаріогенезу в 2014 році, сказав Базз Баум, вони припустили, що ми, ймовірно, ніколи не дізнаємося правди. Потім раптово з’явилися Асгарди, запропонувавши нові проблиски граничних, перехідних етапів, які підштовхнули життя з одноклітинної простоти до наддуву.

«Перш ніж ми знищимо цю прекрасну планету, ми повинні трохи подивитися, тому що на планеті Земля є круті речі, про які ми нічого не знаємо. Можливо, є речі, які є начебто живими копалинами — станами між ними», — сказав він. «Можливо, це на моїй шторі для душу».