Metų atradimas biologijoje? Po 12 metų bandymų surado organizmą, kuris paaiškina, kaip paprasti mikrobai evoliucionavo į sudėtingą gyvybę

Pagrindinis sudėtingos gyvybės išsivystymo svarbaus atradimo ingredientas pasirodė esanti kantrybė. Po 12 metų bandymų, mokslininkų komanda Japonijoje išaugino organizmą iš jūros dugno dumblo, kuris, pasak jų, galėtų paaiškinti, kaip paprasti mikrobai evoliucionavo į sudėtingus eukariotus. Eukariotai yra organizmų grupė, apimanti žmones, kitus gyvūnus, augalus ir daug vienaląsčių organizmų. Šis mikrobas gali išsiauginti šakotas ataugas, kurios galėjo padėti jam apsiginti ir apgobti bakteriją, o tai padėjo jai – galiausiai ir visiems eukariotams — klestėti deguonies pilname pasaulyje.

„Tai yra darbas, kurio daugelis šios srities žmonių laukė,” sako Thijs Ettema, evoliucinis mikrobiologas iš Wageningen universiteto Nyderlanduose. Kol kas nepublikuotas recenzuojamame žurnale atradimas paskelbtas Twitteryje. Darbą peržiūrėję kiti mokslininkai jau pavadino jį „metų straipsniu” ir „mikrobinės ekologijos nusileidimu Mėnulyje.”

Gyvybės medyje yra trys pagrindinės šakos. Dvi sudaro branduolio ir mitochondrijų – membranomis atskirtų DNR saugyklų ir energijos jėgainių – neturintys mikroorganizmai – bakterijos ir archėjai. Šie komponentai būdingi trečios šakos – eukariotų – ląstelėms. Vyrauja nuomonė, kad maždaug prieš 2 milijardus metų, mikrobai, priklausantys Asgard archaea grupei, absorbavo bakteriją alphaproteobacterium, kuri įsikūrė viduje ir tapo mitochondrija, gaminančia nešiotojui energiją, panaudodama deguonį. Bet izoliuoti ir auginti Asgard archaea buvo tikras iššūkis, nes jos linkusios gyventi nesvetingose aplinkose, pavyzdžiui, giliai esančiame jūrų dumble. Be to, jie auga labai lėtai, tad ir aptikti juos nelengva. Lig šiol akivaizdžiausiu jų egzistavimu įrodymu tebuvo būdingas genų seks turintys DNR fragmentai.

Bet mikrobiologai iš Japonijos jūros ir sausumos mokslų ir technologijos agentūros Yokosuka mieste, Hiroyuki Imachi ir Ken Takai su kolegomis atkakliai bandė išauginti tokius mikrobus iš jūros dugno dumblo pavyzdžių, kuriie povandeniniu aparatu buvo išgauti dar 2006 metais. Jie dumblą iš 2500 metrų gylio Japonijos pakrantės laikė bioreaktoriuose, nuolat tiekdami giliame jūrų dugno dumble dažnai randamas dujas – metaną. Tada tyrėjai mažus mikrobų kupinus dumblo pavyzdžius inkubavo stikliniuose mėgintuvėliuose, į kuriuos buvo tiekiamos įvairios maistingosios medžiagos. Po metų jie aptiko mikrobus mėgintuvėlyje, kuriame buvo keturių rūšių antibiotikai, sunaikinę bet kokias pašalines bakterijas.

Bandinių iš mėgintuvėlio DNR analizė parodė, kad juose yra Asgard archaeon, mikrobas, kurį jie tikėjosi išauginti. Mikrobų skaičius padvigubėjo per maždaug 20 dienų — paprastai bakterijos pasidalina greičiau nei per valandą, — bet galiausiai jiems turėjo pakankami organizmų, kad galėtų juos tyrinėti. „Tai buvo išties milžiniška užduotis,” sako darbe nedalyvavęs evoliucinis biologas iš Wisconsino universiteto Madisone Davidas Baumas.

Japonai tyrėjai, kurių komentarų iš karto paprašyti nepavyko, mikrobą pavadino Prometheoarchaeum syntrophicum, pagal žmones iš dumblo sukūrusį senovės Graikijos dievą Prometėją. Eksperimentai su šiuo vienaląsčiu organizmu rodo, kad jis įprastai – jei ne visada – auga drauge su su kitais mikrobais, kurie gamina metaną, pranešė Imachi, Takai, ir kolegos išankstiniame straipsnyje, paskelbtame bioRxiv. Dar tyrėjai išsiaiškino, kad Prometheoarchaeum maitindamosis skaidydamos aminorūgštis, išskiria vandenilį, kuriuo maitinasi jų partneris. Šis metano gamintojas savo ruožtu padeda Prometheoarchaeum vandeilio atsikratyti, sako tyrėjai; antraip, susikaupęs vandenilis galėtų dar sulėtinti Prometheoarchaeum augimą. Dėl tokios sudėtingos partnerystės Asgard arcahaea labai sunku auginti laboratorijoje.

Tyrėjai nuskaitė visą mikrobo DNR ir patvirtino, kad jame iš tiesų yra genų, kurie primena randamus eukariotuose. (Kai Ettema sudėliojo Asgard genomą iš plataus DNR bandinių spektro, jis rado tą patį, tačiau skeptikai abejojo, ar šie genai nėra tarša.) Galima sakyti, kad Prometheoarchaeum „buvo parengri tapti eukariotais,” sako Ettema.

Loki decloacked! https://t.co/BDzAWt92s3 The amount of work described in manuscript represents a monumental effort, of which the importance cannot be understated! A thread. pic.twitter.com/hou1q9OR2P

— Thijs J. G. Ettema 🇳🇱🇸🇪🇪🇺 (@Ettema_lab) August 6, 2019

Išauginę mikrobą, tyrėjai elektroniniu mikroskopu jį nufotografavo. Paaiškėjo, kad jis turėjo daug šakotų ataugų. Tyrėjų komanda kelia hipotezę, kad gilioje senovėje archėjas apgaubė protomitochondriją ir ją įdarbino. Tyrėjai spėja, kad ankstyvojoje Žemėje didėjant deguonies koncentracijai, tokie archėjai kaip Prometheoarchaeum priglobė deguonį naudojančius partnerius ir jiems sekėsi geriau, nei kitiems mikrobams.

„Būtent tai mes ir prognozavome,” sako Baumas. 2014 metais jis su kolegomis publikavo panašią „vidus išorėn” teoriją. Anksčiau dauguma tyrėjų manė, kad mitochondrijas į vidų įsitraukė archėjai — „aplinka vidun” teorija, pagal kurią branduolys ir vidinės membranos išsivystė iš apgaubtų komponentų. Naujai išaugintų mikrobų ataugos rodo ką kita. Šios ataugos apgaubė protomitochondrijas ir iš jų membranų atsirado vidinės membranos.

Ettema įspėja, kad prieš 2 milijardus metų gyvenę archėjiškieji eukariotinių ląstelių protėviai galėjo atrodyti ir elgtis kitaip, nei Prometheoarchaeum. Neagana to, DNR tyrimai rodo, kad kiti archėjai yra giminiškesni eukariotams, nei šis. Tačiau jis tikisi, kad 12 japonų komandos metų, skirtų mikrobų kultivavimui, padės jam ir kitiems laboratorijoje izoliuoti ir išauginti giminingus archėjus: „Esu tikras, kad kitos Asgard kultūros sukūrimas netruks 12 metų.”

Kad ir koks įspūdingas būtų darbas, šių – ar kitų – Asgard išauginimas neatsako, ar yra dvi karalystės, ar trys, sako Patrickas Forterre'as, mikrobiologas iš Pasteuro instituto Paryžiuje. Remdamasis savo grupės atlikta nuodugnia šių mikrobų DNR studija, Forterre'as teigia, kad Asgard archaea nėra artimi eukariotų giminaičiai ir kad eukariotiški genai buvo pasiskolinti iš tikrų eukariotų protėvių, kurie išsivystė iš bendro archėjų ir eukariotų protėvio. „Jie nepanašūs į „tarpines“ ląsteles tarp prokariotų ir eukariotų, o 100% kaip klasikiniai (bet labai maži) arhėjai,” rašė jis laiške.

Bet net jei paaiškės, kad Asgard archėjai nėra eukariotų protėviai, naujasis darbas „atskleidžia daugybę biologinių įdomybių,” sako Willem van Schaik, mikrobiologas iš Birminghamo universiteto Jungtinėje Karalystėje. „Atrodo, visa tai kaip mat atsidurs mikrobiologijos vadovėliuose.”

Elizabeth Pennisi
doi:10.1126/science.aaz0650