Детальные изображения микроорганизмов Asgard показывают компоненты, похожие на растительные и животные клетки.
Вырастив в лаборатории необычный щупальцевидный микроб, микробиологи, возможно, сделали большой шаг к решению проблемы самых ранних ветвей на древе жизни и разгадке одной из его великих тайн: как впервые появились сложные клетки, из которых состоит человеческое тело, а также все растения, животные и многие одноклеточные организмы. Такие микробы, называемые археями Asgard, выращивались и раньше, но впервые, как сообщается в журнале Nature, их удалось вырастить в достаточно высокой концентрации, чтобы детально изучить их внутреннюю структуру.
Полученные с помощью электронной микроскопии изображения показывают сложные внутренние структуры, напоминающие структуры наших собственных клеток, что подтверждает все еще спорную идею о том, что древние асгардоподобные микробы могли быть ключевым предком сложных клеток. Микроб из ила глубиной 15 сантиметров в устье реки в Словении обладает сложным цитоскелетом, состоящим из белка актина, что позволяет предположить, что эта структура возникла у архей, прежде чем стать неотъемлемой частью растительных и животных клеток. Эти выводы дополняют недавние работы, показывающие, что археи Asgard обладают генами, которые раньше считались существующими только у более сложных организмов - еще одно свидетельство того, что они могут быть важным эволюционным предшественником. "Эта работа прекрасна", - считает эволюционный клеточный биолог Базз Баум. "Изображения просто потрясающие". Баум подозревает, что многие исследователи захотят изучить новые культивированные микробы.
Большинство ученых считают археи третьей областью жизни, они отличаются от бактерий и эукариот, эволюционной ветви, включающей человека. Тем не менее, археи и бактерии имеют некоторые ключевые сходства - как правило, ни у одной из них нет основных эукариотических признаков, таких как митохондрии, внутренние источники энергии клетки, или ДНК, заключенная в ядре. Хотя многие исследователи считают, что ранние эукариотические клетки возникли после того, как архея поглотила бактерию, которая стала митохондрией, они пытались выяснить, как развивались другие особенности эукариот, такие как их многочисленные внутренние мембраны и органеллы. "До недавнего времени путь усложнения жизни был неясен", - говорит Масару Нобу, микробиолог из Национального института передовой промышленной науки и технологии.
Сказочные гены
Идея о том, что археи, похожие на асгардов, могут быть предками эукариот, возникла в 2015 году, когда Тийс Эттема, микробиолог-эколог из Вагенингенского университета, обнаружил эукариотоподобные гены в странных археях из образцов осадочных пород, собранных Кристой Шлепер, ныне микробиологом-экологом Венского университета, и ее студентом Стеффеном Йоргенсеном. К 2017 году Эттема обнаружил подобные гены еще у нескольких групп архей, которые в совокупности составляют Асгардов.
Однако в то время Эттема располагал лишь приблизительными геномами, собранными из экологической ДНК (эДНК), которая обычно включает генетический материал многих организмов в образце почвы или воды, и скептики утверждали, что он не может быть уверен, что эукариотоподобные гены действительно принадлежат археям. Но в 2019 году команда Нобу вырастила первый микроб Asgard, выделенный из океанического ила у берегов Японии, и сообщила, что в его геноме также есть эукариотические гены.
Дополнительные доказательства появились в начале этого года, когда Виктория Орфан, геобиолог из Калифорнийского технологического института, и ее коллеги выделили достаточное количество двух других видов Asgard из породы, собранной из гидротермального жерла в Калифорнийском заливе, чтобы составить последовательность их полных геномов. Гены в этих геномах подтвердили, что эти гены действительно возникли в археях. Более того, в геномах присутствовали мобильные фрагменты ДНК, содержащие бактериальные гены, участвующие в метаболизме, что позволяет предположить, что эти элементы играли роль в передаче генов между основными ветвями жизни, сообщили Орфан и ее коллеги 13 января в журнале Nature Microbiology.
Сравнив белки, кодируемые археями Asgard и эукариотами, исследователи, включая Эттему, Баума и Мохана Баласубраманиана, клеточного микробиолога из Уорикского университета, недавно связали эти два домена другим способом. Они сосредоточились на взаимодействующих белковых комплексах, которые используются эукариотическими клетками для сгибания, разрезания и сшивания своих мембран, чтобы соединять внутренние отсеки. До этого момента только два таких белковых комплекса были обнаружены у архей. Но геномы Asgard содержат инструкции по созданию четырех из них, о чем авторы сообщили 13 июня в журнале Nature Communications.
Предсказав структуру белков, группа синтезировала некоторые из молекул в лаборатории и показала, что они работают аналогично эукариотическим версиям. По мнению ученых, это говорит о том, что этот механизм манипулирования мембранами появился еще до эволюции эукариот.
Новый Asgard
Чтобы ответить на эти вопросы, ученым нужны клетки, но на выращивание первого представителя Asgard ушло 12 лет проб и ошибок, да и второй, описанный сейчас, оказался не намного легче. "Я не представлял, насколько это будет сложно", - говорит Шлепер, который руководил проектом в течение 7 лет.
На электронно-микроскопическом снимке (слева) щупалец нового Асгарда видны рибосомы (серые, иллюстрация художника справа) и филаменты (оранжевые), состоящие из белка актина, похожего на цитоскелет более сложных клеток.Иллюстрация: Florian Wollweber, Martin Pillhofer/ETH Zurih; Nature.
Обладая длинными щупальцами, клетки Асгарда хрупки, поэтому было сложно их концентрировать, перенося из одной колбы в другую, или изучать, окрашивая их перед помещением под микроскоп. Наконец, постдок Шлепера Тьяго Родригес-Оливейра разработал способ выращивания клеток в достаточно высоких концентрациях для создания образцов для криоэлектронной томографии (крио-ЭТ) - метода, при котором быстро замороженные образцы с разных углов рассматриваются электронным микроскопом для получения составного изображения. Но исследования по визуализации были осложнены тем, что образцы, которые они культивировали, также содержали два других микроба. Открытие, сделанное в 2020 году, в конце концов помогло им найти Асгард.
Два года назад геомикробиолог Дженнифер Гласс из Технологического института Джорджии заметила что-то необычное в рибосомах - клеточных структурах, которые переводят генетическую информацию в белки, - у асгардов из глубоководных отложений. Гены для ключевой части этих структур были намного длиннее, и поэтому получившиеся рибосомы были намного больше, чем у других прокариот и даже у многих эукариот. Поэтому сотрудники Шлепера, Мартин Пилхофер и Флориан Волльвебер из ETH Zürich, смогли определить клетки Асгарда по большим рибосомам. Несмотря на это, Волльвеберу потребовалось 36 часов, чтобы идентифицировать только 17 микробов на крио-ЭТ изображениях.
Новый асгард, который генетически достаточно сильно отличается от того, который был выделен командой Нобу и изучен Орфан, чтобы быть выделенным в отдельный род с предварительным названием Lokiarchaeum ossiferum, также имеет щупальца, но вдоль щупалец имеются утолщения и небольшие пузырьки. Его клеточная стенка тоже сложная, с крошечными выступающими леденцовыми структурами, как бы пробующими окружающую среду.
"В целом, клеточные структуры [этих клеток] выглядят так, будто они прилетели с другой планеты", - рассказывает Эттема.
Геном этих клеток больше и содержит больше эукариотических генов, чем у других культивируемых Asgard, а их ДНК включает четыре гена для белка актина, ключевого компонента внутреннего скелета эукариотической клетки, сообщает группа Шлепера. Этот скелет простирается по всей клетке и в щупальцах, и он варьирует от клетки к клетке, что позволяет предположить, что он способен перестраиваться. "Мы показываем, что "эукариотический" цитоскелет, который имеет решающее значение для эукариот, был изобретением архей, то есть он развился до появления первых эукариотических клеток", - объясняет Шлепер. "Это исследование еще больше подтверждает, что нашими предками являются археи", - соглашается сотрудник Нобу, Хироюки Имачи, микробиолог из Японского агентства по морским наукам и технологиям.
Некоторые ученые сейчас считают, что наиболее вероятный сценарий появления эукариот, примерно через 2 миллиарда лет после возникновения бактерий и архей, заключается в том, что микроорганизм, похожий на Асгарда, обволакивает бактерию, использующую кислород, превращая ее в дополнительный источник энергии для своего хозяина. Возможно, археи также приобрели другие бактерии, чтобы создать объединенные клетки, из которых состоят эукариоты.
Но не все с этим согласны. Некоторые эволюционные биологи, в том числе Патрик Фортерр из Института Пастера, утверждают, что родословные, построенные на основе сравнения определенных генов асгард и эукариот, не подтверждают преобладающую роль архей асгардов в зарождении эукариот. А в прошлом году Свен Гулд, эволюционный клеточный биолог из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе, подсчитал, что асгардские археи внесли очень незначительный вклад в развитие первых эукариот - всего 0,3% семейств белков, которые, как считается, существовали у общего предка эукариот.
Гулд согласен с широко распространенным мнением, что слияние архей и бактерий привело к появлению первых эукариот, но считает, что архейный партнер был совсем не похож на недавно культивированных микробов. Вместо этого, по его словам, генетические данные указывают на гораздо более простого хозяина. В статье, опубликованной 10 ноября в журнале eLife, Гулд и его коллеги предполагают, что именно присутствие бактерий внутри этих клеток вызвало новые нагрузки на клеточные процессы архей, что послужило толчком к эволюции таких эукариотических особенностей, как ядро, сеть мембран и внутренних отсеков, называемых аппаратом Гольджи, и даже к эволюции пола.
Эттема тоже считает, что полная история еще не раскрыта. Он отмечает, что, судя по образцам эДНК, взятым его группой и другими, два культивированных асгарда представляют собой лишь небольшое подмножество разнообразия этой группы. Он указывает на то, что последние работы показывают, что эукариоты ответвились от определенной ветви архей асгардов. Кроме того, последний общий предок асгардских архей и эукариот, скорее всего, сильно отличался от двух асгардских архей, охарактеризованных на сегодняшний день. Поэтому он и другие ученые пытаются культивировать и охарактеризовать другие асгарды.
Микробиологи и эволюционные биологи с нетерпением ждут результатов этих исследований. "Будет интересно посмотреть, какие еще археи, похожие на асгард, будут обнаружены и как они выглядят", - говорит Баум.
