Krio-elektrontomografie het insig gegee in die sellulêre struktuur van 'n nuut gekweekte Asgard-argeon wat hier geïllustreer word. Merkwaardig is die uitgebreide aktien-sitoskeletfilamente (oranje) in die selliggame en seluitsteeksels, asook die unieke selomhulsel (blou). Krediet: © Margot Riggi, The Animation Lab, Universiteit van Utah
Navorsers aan die Universiteit van Wene en ETH Zurich kweek "missing link" mikro-organisme.
Wat het gelei tot die ontstaan van komplekse organismes op Aarde? Dit is 'n belangrike onbeantwoorde vraag in biologie. Navorsers van Christa Schleper se span by die Universiteit van Wene en Martin Pilhofer se span by ETH Zurich het 'n stap geneem om dit op te los. Die wetenskaplikes het daarin geslaag om 'n spesiale argeon te kweek en dit meer presies te karakteriseer met behulp van mikroskopiese metodes.
Hierdie lid van die Asgard archaea vertoon unieke sellulêre eienskappe en kan 'n evolusionêre "vermiste skakel" verteenwoordig na meer komplekse lewensvorme soos diere en plante. Die studie is onlangs in die joernaal gepubliseer Aard.
Alle lewensvorme op aarde word in drie hoofdomeine verdeel: eukariote, bakterieë en archaea. Eukariote sluit die groepe diere, plante en swamme in. Hul selle is gewoonlik baie groter en met die eerste oogopslag meer kompleks as die selle van bakterieë en archaea. Die genetiese materiaal van eukariote is byvoorbeeld in 'n selkern verpak en die selle het ook 'n groot aantal ander kompartemente. Selvorm en vervoer binne die eukariotiese sel is ook gebaseer op 'n uitgebreide sitoskelet. Maar hoe het die evolusionêre sprong na sulke komplekse eukariotiese selle ontstaan?
Een van die tans gewildste evolusionêre teorieë neem aan dat eukariote (insluitend diere, plante en swamme) ontstaan het uit die samesmelting van 'n Asgard-argeon met 'n bakterie. Krediet: © Florian Wollweber, ETH Zürich
Die meeste huidige modelle neem aan dat archaea en bakterieë 'n sentrale rol in die evolusie van eukariote gespeel het. Daar word geglo dat 'n eukariotiese primordiale sel ongeveer twee biljoen jaar gelede uit 'n noue simbiose tussen archaea en bakterieë ontwikkel het. In 2015 het genomiese studies van diepsee-omgewingsmonsters die groep van die sogenaamde Asgard archaea ontdek, wat in die boom van die lewe die naaste verwante van eukariote verteenwoordig. Die eerste beelde van Asgard-selle is in 2020 uit verrykingskulture deur 'n Japannese groep gepubliseer.
Asgard archaea gekweek uit mariene sedimente
Christa Schleper se werkgroep aan die Universiteit van Wene het nou vir die eerste keer daarin geslaag om 'n verteenwoordiger van hierdie groep in hoër konsentrasies te kweek. Dit kom van mariene sedimente aan die kus van Piran, Slowenië, maar is ook 'n inwoner van Wene, byvoorbeeld in die oewersedimente van die Donau. As gevolg van sy groei tot hoë seldigthede, kan hierdie verteenwoordiger besonder goed bestudeer word. "Dit was baie lastig en moeisaam om hierdie uiters sensitiewe organisme in 'n stabiele kultuur in die laboratorium te bekom," berig Thiago Rodrigues-Oliveira, postdoktoraat in die Archaea-werkgroep by die Universiteit van Wene en een van die eerste skrywers van die studie.
Mede-eerste skrywer Rafael Ponce neem mariene sediment by die Seca-kanaal in Piran, Slowenië. Krediet: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wien
Asgard archaea het 'n komplekse selvorm met 'n uitgebreide sitoskelet
Die merkwaardige sukses van die Weense groep om 'n hoogs verrykte Asgard-verteenwoordiger te kweek, het uiteindelik 'n meer gedetailleerde ondersoek van die selle deur mikroskopie moontlik gemaak. Die ETH-navorsers in Martin Pilhofer se groep het 'n moderne krio-elektronmikroskoop gebruik om foto's van skokbevrore selle te neem. "Hierdie metode maak 'n driedimensionele insig in die interne sellulêre strukture moontlik," verduidelik Pilhofer.
Skandeerelektronmikrograaf van 'n Lokiarchaeum ossiferum-sel wat die lang en komplekse seluitsteeksels toon. Krediet: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wien
“Die selle bestaan uit ronde selliggame met dun, soms baie lang selverlengings. Dit lyk of hierdie tentakelagtige strukture soms selfs verskillende selliggame met mekaar verbind,” sê Florian Wollweber, wat maande lank die selle onder die mikroskoop opgespoor het. Die selle bevat ook 'n uitgebreide netwerk van aktienfilamente wat vermoedelik uniek is aan eukariotiese selle. Dit dui daarop dat uitgebreide sitoskeletale strukture in archaea ontstaan het voor die verskyning van die eerste eukariote en dryf evolusionêre teorieë rondom hierdie belangrike en skouspelagtige gebeurtenis in die geskiedenis van lewe aan.
Toekomstige insigte deur die nuwe model organisme
"Ons nuwe organisme, genaamd Lokiarchaeum ossiferum, het groot potensiaal om verdere baanbrekende insigte in die vroeë evolusie van eukariote te verskaf," sê mikrobioloog Christa Schleper. "Dit het ses lang jare geneem om 'n stabiele en hoogs verrykte kultuur te verkry, maar nou kan ons hierdie ervaring gebruik om baie biochemiese studies uit te voer en ook ander Asgard-argea te kweek." Daarbenewens kan die wetenskaplikes nou die nuwe beeldmetodes wat by ETH ontwikkel is, gebruik om byvoorbeeld die noue interaksies tussen Asgard archaea en hul bakteriese vennote te ondersoek. Basiese selbiologiese prosesse soos seldeling kan ook in die toekoms bestudeer word om lig te werp op die evolusionêre oorsprong van hierdie meganismes in eukariote.
Verwysing: "Actin-sitoskelet en komplekse sel-argitektuur in 'n Asgard-argeon" deur Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer en Christa Schleper, 21 Desember 2022, Aard.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05550-y
