Kryoelektronová tomografie poskytla vhled do buněčné struktury nově kultivovaného asgardského archaeona, který je zde ilustrován. Pozoruhodná jsou rozsáhlá filamenta aktinového cytoskeletu (oranžová) v buněčných tělech a buněčných výběžcích, stejně jako unikátní buněčný obal (modrá). Poděkování: © Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah
Výzkumníci z Vídeňské univerzity a ETH Zurich kultivují mikroorganismus „chybějící článek“.
Co vedlo ke vzniku složitých organismů na Zemi? Je to významná nezodpovězená otázka v biologii. Výzkumníci z týmu Christy Schleperové v Vídeňská univerzita a tým Martina Pilhofera at ETH Zurich udělali krok k jeho vyřešení. Speciálního archaeona se vědcům podařilo vypěstovat a pomocí mikroskopických metod přesněji charakterizovat.
Tento člen asgardské archaea vykazuje jedinečné buněčné vlastnosti a může představovat evoluční „chybějící článek“ ke složitějším formám života, jako jsou zvířata a rostliny. Studie byla nedávno publikována v časopise Příroda.
Všechny formy života na Zemi jsou rozděleny do tří hlavních domén: eukaryota, bakterie a archaea. Eukaryota zahrnují skupiny zvířat, rostlin a hub. Jejich buňky jsou obvykle mnohem větší a na první pohled složitější než buňky bakterií a archeí. Genetický materiál eukaryot je například zabalen v buněčném jádru a buňky mají také velké množství dalších kompartmentů. Tvar a transport buněk v eukaryotické buňce jsou také založeny na rozsáhlém cytoskeletu. Jak ale došlo k evolučnímu skoku k tak složitým eukaryotickým buňkám?
Jedna z aktuálně nejpopulárnějších evolučních teorií předpokládá, že eukaryota (včetně zvířat, rostlin a hub) vznikla fúzí asgardského archaeona s bakterií. Kredit: © Florian Wollweber, ETH Zürich
Většina současných modelů předpokládá, že archaea a bakterie hrály ústřední roli ve vývoji eukaryot. Předpokládá se, že eukaryotická primordiální buňka se vyvinula z těsné symbiózy mezi archaeami a bakteriemi asi před dvěma miliardami let. V roce 2015 objevily genomické studie vzorků hlubokomořského prostředí skupinu takzvaných asgardských archeí, které ve stromu života představují nejbližší příbuzné eukaryot. První snímky Asgardských buněk byly publikovány v roce 2020 z obohacených kultur japonskou skupinou.
Asgardské archaea kultivované z mořských sedimentů
Pracovní skupině Christy Schleper na Vídeňské univerzitě se nyní poprvé podařilo vypěstovat zástupce této skupiny ve vyšších koncentracích. Pochází z mořských sedimentů na pobřeží slovinského Piranu, ale je také obyvatelem Vídně, například v břehových sedimentech Dunaje. Díky svému růstu do vysokých buněčných hustot může být tento zástupce zvláště dobře studován. "Bylo velmi složité a pracné získat tento extrémně citlivý organismus ve stabilní kultuře v laboratoři," říká Thiago Rodrigues-Oliveira, postdoktor v pracovní skupině Archaea na Vídeňské univerzitě a jeden z prvních autorů studie.
Spoluprvní autor Rafael Ponce odebírá vzorky mořského sedimentu v kanálu Seca v Piranu ve Slovinsku. Kredit: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wien
Asgardské archaea mají složitý buněčný tvar s rozsáhlým cytoskeletem
Pozoruhodný úspěch vídeňské skupiny při kultivaci vysoce obohaceného zástupce Asgardu nakonec umožnil podrobnější zkoumání buněk mikroskopem. Výzkumníci ETH ve skupině Martina Pilhofera použili moderní kryo-elektronový mikroskop k pořízení snímků šokově zmrazených buněk. „Tato metoda umožňuje trojrozměrný pohled do vnitřních buněčných struktur,“ vysvětluje Pilhofer.
Skenovací elektronový mikrosnímek buňky Lokiarchaeum ossiferum ukazující dlouhé a složité buněčné výběžky. Kredit: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wien
„Buňky se skládají z kulatých buněčných těl s tenkými, někdy velmi dlouhými buněčnými rozšířeními. Někdy se dokonce zdá, že tyto chapadlovité struktury navzájem spojují různá buněčná těla,“ říká Florian Wollweber, který strávil měsíce sledováním buněk pod mikroskopem. Buňky také obsahují rozsáhlou síť aktinových vláken, která jsou považována za jedinečná pro eukaryotické buňky. To naznačuje, že rozsáhlé cytoskeletální struktury vznikly v archaea před objevením prvních eukaryot a podněcuje evoluční teorie o této důležité a velkolepé události v historii života.
Budoucí poznatky prostřednictvím nového modelového organismu
„Náš nový organismus, nazvaný Lokiarchaeum ossiferum, má velký potenciál poskytnout další převratné poznatky o raném vývoji eukaryot,“ komentuje mikrobioložka Christa Schleper. "Trvalo to dlouhých šest let, než jsme získali stabilní a vysoce obohacenou kulturu, ale nyní můžeme tuto zkušenost využít k provedení mnoha biochemických studií a také ke kultivaci dalších asgardských archaea." Kromě toho mohou vědci nyní používat nové zobrazovací metody vyvinuté na ETH, aby prozkoumali například úzké interakce mezi asgardskými archaea a jejich bakteriálními partnery. Základní buněčné biologické procesy, jako je buněčné dělení, lze také v budoucnu studovat, aby bylo možné osvětlit evoluční původ těchto mechanismů u eukaryot.
Odkaz: „Aktinový cytoskelet a komplexní buněčná architektura v asgardském archaeonu“ od Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer a Christa Schleper, 21 prosinec 2022, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-022-05550-r
