Японские ученые впервые выделили организм, который может быть предком всей сложной жизни на Земле. Он относится к специфической группе архей, названных асгардцами и объединяющих в себе признаки бактерий и многоклеточных. «Лента.ру» рассказывает об исследовании, опубликованном в репозитории препринтов bioRxiv.
В 2010 году ученые провели анализ экологической ДНК (то есть ДНК, содержащейся в окружающей среде) в образцах отложений, поднятых со дна Атлантического океана. Они обнаружили следы ранее неизвестного организма, относящегося к археям — одноклеточным существам, которые считались родственниками бактерий, но сейчас составляют отдельный домен живых организмов (наряду с бактериями и эукариотами). Одной из самых примечательных особенностей новой археи стало то, что ее геном обладал некоторыми признаками, связывающими организм с эукариотами.
Новая архея получила свое название — Lokiarchaeota — в честь подводной гидротермальной системы «Замок Локи», рядом с которой на глубине 2,35 километра была найдена ДНК организма. Из-за необычных свойств нового существа у исследователей появились обоснованные сомнения насчет того, не были ли образцы загрязнены посторонними примесями. 32 процента белков, которые кодировала ДНК того организма, не были известны науке на тот момент; 29 процентов соответствовали бактериальным белкам, а 3,3 процента — эукариотическим. Сам организм выделен не был, поэтому ученые до сих пор не знают, как он выглядит.
Однако в новой научной работе японские исследователи впервые сумели выделить микроорганизм с аналогичными свойствами и вырастить его в лаборатории. Так у биологов в руках оказалось существо, которое может помочь выяснить, какими были самые древние эукариоты — сложно устроенные организмы, обладающие ядром и мембранными органеллами, включая митохондрии и хлоропласты. Этот домен включает человека, животных, растения и водоросли.
У архей, как и у бактерий, отсутствует ядро и мембранные органеллы; они также обладают жгутиком, который помогает им передвигаться. Однако археи имеют свою независимую эволюционную историю. У архей есть клеточная стенка специфичного состава, а также другие особенности, характерные только для них. В то же время Lokiarchaeota не единственная известная архея, обладающая признаками эукариот. Кроме нее, существуют Thorarchaeota, Odinarchaeota и Heimdallarchaeota. Все вместе они объединяются в группу, называемую археями-асгардцами в честь скандинавских богов. Некоторые ученые полагают, что именно асгардцы стояли у истоков зарождения эукариотических организмов.
Одна из самых популярных гипотез зарождения эукариот состоит в том, что промежуточным звеном между ними и прокариотами (то есть бактериями) являются именно археи. Lokiarchaeota в свою очередь является переходной формой между археями и эукариотами. Согласно выводам ученых, археи-асгардцы и сложные одноклеточные разошлись по своим эволюционным путям около двух миллиардов лет назад.
В 2006 году японские ученые извлекли образцы отложений с морского дна Нанкайского прогиба на глубине 2533 метра. Поздний анализ, сделанный уже после открытия Lokiarchaeota, выявил присутствие архей-асгардцев. Исследователи культивировали образцы в течение пяти лет внутри биореактора, специально разработанного для поддержания метановой среды на глубине океана. Микроорганизмы размножались очень медленно, однако в конце концов ученым удалось взять образцы архей и поместить их в стеклянные трубки, где содержались питательные вещества. В результате возникла небольшая популяция Lokiarchaeota.
Выведение архей — весьма трудоемкий процесс. Во-первых, само их выявление основано на метагеномном анализе ДНК, то есть изучается генетический материал, полученный при взятии образцов из окружающей среды. Этот способ удобен для определения биоразнообразия без выделения и культивирования конкретных микроорганизмов. Во-вторых, некоторые микробы — и среди них много архей — являются некультивируемыми. Они живут в специфических условиях среды (например, в насыщенных тяжелыми металлами шахтных водах или гидротермальных источниках), которые очень трудно или пока невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Если не удается поддержать требуемые условия, микроорганизмы продолжают жить, но не размножаются.
Популяции бактерий требуется полчаса или час для удвоения, однако у Lokiarchaeota это изначально занимало 20 дней. Потребовалось три месяца для достижения полного роста, при этом фаза роста, при которой организмы лишь приспосабливались к субстрату и температуре, длилась 30-60 дней. В целом эксперимент продлился 12 лет. Исследователи назвали микроб Prometheoarchaeum syntrophicum.
Оказалось, что Prometheoarchaeum растет только в присутствии двух других микробов — археи Methanogenium и бактерии Halodesulfovibrio. Когда Prometheoarchaeum усваивает аминокислоты, она производит водород, которым питаются другие микроорганизмы. Если водород остается в окружающей среде, то это может помешать и без того медленному росту археи. Это указывает на то, что прометеоархея симбиотически связана с другими микробами.
Секвенирование ДНК также выявило эукариотические особенности, которые встречаются у других архей-асгардцев. Тем не менее у выделенной археи отсутствуют заметные органеллоподобные структуры. Однако были выявлены необычные детали Prometheoarchaeum: длинные «щупальца», внутри которых находились симбиотические микроорганизмы. Поэтому исследователи предложили новую модель Entangle-Engulf-Enslave («Поймать-Поглотить-Поработить»), согласно которой эукариоты сформировались благодаря симбиозу между археями и альфапротеобактериями — организмами, живущими внутри других клеток.
Ученые предположили, что, когда в земной атмосфере начал повышаться уровень кислорода, архея могла переключиться на симбиотические взаимоотношения с бактериями, которые использовали окислительные реакции в качестве источника энергии. Поглотив своих патеров и включив их в состав собственной клетки, архея повысила свои шансы на выживание. В будущем протеобактерии превратились в митохондрии и хлоропласты.
В то же время следует сохранять осторожность, говоря, что найденный микроорганизм мог являться предком многоклеточных форм жизни (все многоклеточные — эукариоты). Дело в том, что неизвестно, какими были археи миллиарды лет назад, и прометеоархея может сильно от них отличаться. И, несмотря на то что ученые склонны предполагать, что эукариоты произошли именно от архей, пока еще не было найдено окончательного доказательства этой правдоподобной гипотезы.