原始仙宫细胞显示生命处于复杂的边缘

一棵橡树。 共生真菌与其根部交织在一起。 红衣主教从它的一个分支中发出唧唧声。 我们对他们共同祖先的最佳线索可能来自去年 XNUMX 月公布的电子显微镜图像。

“看！” 微生物学家说 克里斯塔施莱珀，她在维也纳大学的网络摄像头前拿着打印的高分辨率图像时喜气洋洋。 “是不是很漂亮？” 显微照片中的细胞是 500 纳米宽的球体，周围环绕着类似美杜莎的卷须光环。 她的团队不仅首次分离和培养了这种生物体，而且证明了它挥动的细丝是由肌动蛋白构成的，肌动蛋白是一种在几乎所有复杂细胞或真核生物中形成骨骼支架的蛋白质。

但这不是复杂的细胞。 它看起来更像祖传的、原始的。 有机体，首先 发表于 自然，只是一组被称为 Asgard archaea 的微生物的第二个代表，需要被详细培养和研究。 花了六年的时间，用一小勺海底淤泥把它哄出来，就像为一个脾气暴躁的名人准备一个更衣室。 有机体不能被离心、搅拌、暴露在氧气中、与它周围的其他一些微生物分离，或者以比冰川速度更快的速度生长。

几个月来，它甚至根本没有增长。 “我也担心我自己在科学领域的未来，”说 蒂亚戈·罗德里格斯-奥利维拉，作为 Schleper 实验室的博士后，他领导了培育新物种的努力，将自己的职业生涯押在了一个单一的、顽固的有机体的突发奇想上。

尽管处理起来极其困难，但仙宫古细菌现在是科学界最令人垂涎​​的生物之一，这是有充分理由的。 对许多进化生物学家来说，他们的发现和随后的研究证明修改教科书上生命之树的图片是合理的，将我们——以及所有其他由真核细胞构成的生物——仅仅定位为仙宫群的分支。

与此同时，对仙宫基因组的研究为真核生物如何进化的问题带来了急需的数据，这是地球历史上的一个划时代事件，引发了有争议的辩论。 迄今为止的大多数研究都不得不依赖 Asgard 组的间接基因探针，这些探针无法提供与在实验室中刺激活微生物相同的机会，而实验室是自 Louis Pasteur 时代以来微生物学的黄金标准。

现在，随着世界各地的实验室试图发展自己的仙宫文化，一场高风险、慢动作的竞赛正在进行。 样品不共享； 增长战略是严密保守的秘密。 当 Schleper 团队的结果出来时，“我们真的很震惊”，写道 今町弘之，日本海洋地球科学技术机构的微生物学家，经过 12 年的艰苦努力，分离出第一个也是目前唯一的其他 Asgard 古细菌样本。

他们不是唯一的。 蒂斯·埃特玛荷兰瓦赫宁根大学的进化微生物学家暗示，他的实验室在丰富仙宫文化方面也取得了进展，他猜测至少还有 10 个其他实验室正在进行类似的项目。 “他们不会告诉我，”他说。

拼凑一个有机体

十年前，通往仙宫古细菌的踪迹首次升温。 那是一个包括 Ettema、Schleper 和 安雅斯邦，现在是阿姆斯特丹大学的进化微生物学家，开始寻找他们希望成为进化缺失环节的东西。

长期以来，生物学家一直使用遗传数据将所有已知生物分类为三个分类箱：细菌、古细菌和真核生物。 但他们在如何绘制应该将这些群体联系在一起的家谱上大声疾呼。

卡尔·沃斯这位在 1970 年代后期发现古菌的有影响力的美国微生物学家认为，这三个群体独立存在，每个群体都具有相似的尊严，代表着不同的生命“领域”。 在 Woese 和他的盟友看来，古细菌和真核生物是一个更老的祖先的姐妹群。 他们的反对者主张只有细菌和古细菌的“双域”树，声称真核生物是直接从古细菌进化而来的。

营地成立； 立场变得根深蒂固。 “任何与我们的起源有关的事情，无论你回到过去多远，都是人类深切关心的事情，”Spang 说。

在新生物被分离出来的数年之前，微生物调查发现了一组未知的古细菌的线索，这些古细菌的基因组与世界各地海洋沉积物中的真核生物的基因组非常接近。 一项研究，由 斯蒂芬·约根森Schleper 的博士生表明，这些神秘的微生物在 2008 年大西洋热液喷口附近挖出的海底淤泥中繁衍生息。该团队使用来自这些相同样本的 7.5 克泥浆，开始捕获更长的游离 DNA 序列。

他们的中期目标是使用一种已有 20 年历史的技术，称为宏基因组学，从存在的每个生物体中获取基因序列。 Spang 解释说，想象一下，你有来自数千个拼图的一堆拼图。 首先，您要弄清楚每个拼图属于哪些部分。 然后你把每个拼图放在一起。 宏基因组学可以通过这种方式组装基因组，仅使用潜伏在泥浆中的微生物的 DNA。

那分析, 发表于 2015 年，发掘了一个特别引人注目的基因组。 它所属的生物体似乎是迄今为止发现的最像真核生物的古细菌，具有至少 175 种与真核蛋白质非常相似的蛋白质的基因。 研究人员认为，所有真核生物都可能起源于该古细菌的近亲，这一观点强烈支持生命之树的双域版本。

Ettema 将这种生物命名为 Lokiarcheota。 这个名字是向 Loki 的城堡致敬，Loki 的城堡是在收集样本的地方附近形成的热液喷口。 但 2015 年的论文给出了一个额外的理由。 “洛基被描述为‘一个令人震惊的复杂、令人困惑和矛盾的人物，他一直是无数未解决的学术争议的催化剂，’”他们写道，引用了一位斯堪的纳维亚文学学者的话。 这个典故似乎符合围绕真核发生的争论，即复杂细胞的起源。

他们的发现很快遭到三域模型支持者的抨击。 洛基生物真的存在吗？ 还是 Spang 解决宏基因组难题的方法有误，将几种不同微生物的基因组混合成一种虚构的虚构生物？

但很快，Ettema、Spang 和许多其他合作者在世界各地的温泉、含水层以及咸水和淡水沉积物中发现了与 Loki 生物体相似的基因序列。 这些生物一点也不稀有。 他们刚刚被忽视了。

科学家们给这些新兴群体起了新的名字，这些名字与北欧神话主题保持一致——奥丁、雷神、海尔、海姆达尔——并将整个领域称为阿斯加德古生菌，以北欧诸神的故乡命名。 额外的基因组似乎还包括许多真核生物样蛋白质，这进一步支持了生命之树的双结构域版本，我们的真核分支从 Asgard 祖先发芽。

即便如此，解决真核发生在生命系谱中发生的位置对解决围绕该过程如何展开的争论几乎没有作用。 生物学家怀疑，研究 Asgard 古细菌的活体实例可能会比他们从观察 DNA 片段中收集到的见解更多。 2015 年，在仙宫集团被发现后不久，施莱珀开始尝试在奥地利培育洛基。

然而，他们所有人都不知道，在日本的栽培中，已经有一个非常缓慢地繁殖。

一种难以获得的微生物

“我的名字，Hiro，意思是‘宽容’，”Imachi 告诉 广达 在 2020 年的一次采访中。 “我认为 [being] 宽容和耐心——怎么说呢——对我的生活很重要。”

2006 年，在日本海岸外，一艘名为 新海6500 从 2.5 公里深的海沟底部钻出一个黑色、含硫沉积物的核心。 那年晚些时候，Imachi 将其中一些沉积物放入可以模拟深海环境的生物反应器中； 他为发展中国家改造了污水处理系统的设备。 然后他安顿下来，看看这个奇怪的花园会种什么。

宏基因组学已经揭示，所有已知的可培养生物仅代表自然界真正微生物多样性的一小部分。 Imachi 毕业几年后，将他的职业生涯献给了培养所有微生物的不切实际的目标。 然而，要培养像 Loki 这样的东西用于实验室研究，需要同时清除几个令人生畏的障碍。

首先，任何一小块海底泥浆都含有数百种微生物。 要去除不需要的细菌，您可以添加抗生素，这种抗生素对细菌是致命的，但古细菌可以耐受。 但抗生素也可能会杀死目标古菌离不开的共生细菌。 因此，有必要对不同浓度的各种抗生素进行试验，以找到一种适当致死的治疗方法。

其次，您必须找到适合目标生物生长的营养物质、培养基和沉积物的正确组合。最后，您必须等待目标生长到足以在电子显微镜下发现或进行实验的浓度. 当它快乐时，Imachi 培育的有机体大约每两到三周分裂一次。 通过对比， 大肠杆菌，许多微生物实验室中的主力细菌，在短短 20 分钟内就会自动翻倍。

在他们的样本进入 Imachi 的生物反应器五年半后，日本团队将里面生长的任何东西接种到小玻璃管中。 大约一年后，他们注意到一个装有抗生素的试管内有微弱的生命迹象。 然后他们开始尝试将他们的目标——他们看到的序列与 Spang 在 2015 年发表的 Lokiarcheota 小组的序列相匹配——推向更高的浓度。

2019 年夏天，在将手稿上传到预印本服务器之前不久，Imachi 向 Ettema 发送了一份草稿 宣布他们的成功. Ettema 回忆起他第一次看到他多年来一直通过基因序列研究的生物。 “它看起来像是来自不同星球的有机体，”他说。 “我从来没有见过这样的东西。”

日本小组的电子显微镜图像结束了关于 Loki 生物体是真实的还是宏基因组学人工产物的争论。 但他们的工作也确立了关于 Loki 古细菌的两个重要新发现：该生物体用细小的手臂包围着自己，并且它似乎与硫酸盐还原细菌和另一种产生甲烷的古细菌在相互依存的团块中茁壮成长。

与此同时，在奥地利 Schleper 的实验室，最初的六年资助正在减少，而且看不到新的资金。 一名负责培养有机体任务的博士后最终离开了科学界。 另一名团队成员，一名技术人员，吸取了太多东西，以至于他们需要进行腕管综合症手术。

然而，在 2019 年秋天，由罗德里格斯-奥利维拉 (Rodrigues-Oliveira) 发起的洛基生物体培养开始慢慢推进。 它的分裂时间大约是日本株的一半，而且达到的密度是日本株的 50 到 100 倍。 即便如此，使用它仍可能像翻阅 沃尔多在哪里？ 书：Schleper 说，在通过电子显微镜扫描样本 36 小时后，该团队仅发现了 17 个单独的标本。

去年 XNUMX 月，他们在 自然. 这个 Loki 也有类似触手的细丝，Schleper 的小组推测这些细丝可能会缠绕其他生物并与它们相互作用。 与日本团队合作后，他们发现触手是由一种名为 Lokiactin 的蛋白质构成的，这种蛋白质与真核细胞用来构建支持性细胞骨架的肌动蛋白非常相似。 因此，Lokiactin 基因不仅像真核基因，而且执行类似真核生物的功能。

Lokiactin 基因也出现在科学家们遇到的大约 172 个 Asgard 基因组中的每一个中。 这意味着整个群体的祖先——也许是所有真核生物的祖先——可能有一个相似的原始骨骼。

那么 Schleper 的实验室现在试图用这种生物做什么呢？ “一切！” 她笑着说。

伸出手来形成复杂的细胞

在仙宫古细菌所贡献的现在占主导地位的两域图景中，这个星球上生命的大故事是这样的。 大约 4 亿年前，生命分裂成两个单细胞分支，即古细菌和细菌。

遗传证据表明，这两个分支在 2 亿年后再次交叉，当时古细菌——可能来自仙宫群——以某种方式摄取了一种细菌。 这个过程驯化了曾经是一个独特的、自由生活的细胞，并将它变成了称为线粒体的细胞器，这些细胞器存在于真核细胞内。 这个命运结合的后代分支成其他单细胞生物，如甲藻，后来又分支成多细胞生物，这些生物长到宏观尺寸，留下化石，并在海洋和陆地上定居。

但即使是支持这种说法的理论家也属于分裂的阵营。 一些人认为获得线粒体是真核发生的决定性事件。 其他人坚持认为线粒体在持续的转变中到达较晚。 “你可能拥有已经相当复杂且非常类似于真核生物的 Asgard 古细菌，”说 汤姆·威廉斯，布里斯托大学的计算微生物学家。 “然后他们以这种观点的极端形式获得了线粒体，作为一种锦上添花。”

他说，到目前为止，尽管 Asgards 缺乏线粒体，但其复杂性使讨论倾向于后一种观点。 但是来自仙宫的研究数据也在其他方面限制了真核发生的争论。

一方面，事实证明，迄今为止培养的两种仙宫都很难与其他微生物的随行人员分开。 像日本的 Loki 一样，奥地利的生物似乎更喜欢——甚至依赖于——有一种额外的古细菌和另一种硫酸盐还原细菌与它们一起培养。 从事真核发生的学者，如 洛佩斯-加西亚净化 在法国国家科学研究中心，长期以来一直提倡线粒体最初是从这种细胞内捕获的观点 “同热带”伙伴关系，多种物种相互依存。

Lokis 有肌动蛋白触手的发现增加了真核发生情景的合理性，称为 由内而外的模型, Spang 和 Schleper 说。 2014年细胞生物学家 巴兹鲍姆 在伦敦大学学院和他的堂兄，进化生物学家 大卫·鲍姆 威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员提出了他们在家庭活动中提出的一个想法：第一个真核生物是在一个简单的祖先细胞伸出其细胞壁后产生的。 首先，这些手臂伸向共生细菌。 最终他们关闭了那个伙伴，把它变成了一个原始线粒体。 原始古细菌细胞和捕获的共生体都被包裹在手臂提供的骨骼中。

回想仙宫古细菌仍只能从环境 DNA 的碎片中获知时，鲍姆曾在一次会议上要求与会者画出他们认为这些生物体的样子。 他根据由内而外的想法绘制了自己的图，预测他们将拥有突出的手臂，这让其他与会的科学家感到惊讶。 当时，施莱珀说，“他提出这个有趣的建议似乎太奇怪了。”

竞争激烈的氛围

真核发生的事件已经被干预时间和基因交换所掩盖，以至于我们可能永远无法确切地知道它们。

例如，目前在文化中的两个 Loki 物种是现代生物，它们与古代古细菌的不同之处，就像活着的会唱歌的红衣主教与它进化而来的祖先恐龙不同一样。 Loki 组甚至不是遗传分析表明与真核生物关系最密切的 Asgard 古细菌的子集。 （基于已知的 Asgard 基因组， 预印本 Ettema 和他的同事在 XNUMX 月份发表的文章认为，真核生物的祖先是海姆达尔古细菌。）

尽管如此，世界各地的实验室都在赌，将更多不同的 Asgard 群体代表进行培养，将会产生大量关于他们——以及我们——共同祖先的新线索。 施莱珀正在努力。 埃特玛也是。 Baum 也是如此，他说他的实验室很快将迎来一位新同事，他将带来来自 Heimdall 和 Odin 等团体的古细菌小瓶。 Imachi 也是，他拒绝与 广达 对于这个故事。

“如果我现在接受你的采访，我很可能会谈论尚未公布的新数据，”他在一封电子邮件中解释说，并补充说他的团队对 Schleper 团队的努力表示赞赏。 “现在竞争非常激烈（虽然我不喜欢这种竞争），”他补充道。

其他消息来源也哀叹过度加压的气氛。 “如果该领域能够更开放地共享，那就太好了，”斯邦说。 压力最大的是青年科学家，他们倾向于承担高风险、高回报的培养项目。 成功可以增添光彩 自然 纸到他们的简历。 但是，在一项失败的努力上浪费数年时间可能会阻碍他们获得科学工作的机会。 “这确实是一种不公平的情况，”施莱珀说。

不过，就目前而言，比赛仍在继续。 Buzz Baum 说，当 Baum 兄弟在 2014 年发表他们关于真核发生的想法时，他们认为我们可能永远不会知道真相。 然后突然间，仙宫出现了，让我们得以一窥将生命从单细胞简单状态提升到超速运转的临界过渡阶段。

“在我们摧毁这个美丽的星球之前，我们应该做一些观察，因为地球上有一些我们一无所知的很酷的东西。 也许有些东西是活化石——介于两者之间的状态，”他说。 “也许它在我的浴帘上。”