Среди бессмертных

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, каким 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 времяLokiarchaeotaне единственная известная архея, обладающая признаками эукариот. Кроме нее, существуютThorarchaeota,OdinarchaeotaиHeimdallarchaeota. 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.Lokiarchaeotaв 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 открытияLokiarchaeota, 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 популяцияLokiarchaeota.

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 уLokiarchaeotaэто 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 микробPrometheoarchaeum syntrophicum.

Оказалось, чтоPrometheoarchaeumрастет только в присутствии двух других микробов — археиMethanogeniumи бактерииHalodesulfovibrio. КогдаPrometheoarchaeumусваивает 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 деталиPrometheoarchaeum: 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.

Александр Еникеев