Кріоелектронна томографія дозволила зрозуміти клітинну структуру нещодавно вирощеного Асгардського археона, зображеного тут. Примітними є великі цитоскелетні нитки актину (помаранчеві) у клітинних тілах і виступах клітин, а також унікальна клітинна оболонка (блакитна). Авторство: © Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah
Дослідники з Віденського університету та ETH Zurich культивують мікроорганізм «відсутньої ланки».
Що призвело до появи на Землі складних організмів? Це важливе питання без відповіді в біології. Дослідники з команди Крісти Шлепер з Віденський університет і команда Мартіна Пілгофера в ETH Zurich зробили крок до її вирішення. Вченим вдалося виростити особливий археон і більш точно охарактеризувати його за допомогою мікроскопічних методів.
Цей представник асгардських архей демонструє унікальні клітинні характеристики і може представляти еволюційну «відсутню ланку» для більш складних форм життя, таких як тварини та рослини. Дослідження нещодавно було опубліковано в журналі природа.
Усі форми життя на землі поділяються на три основні домени: еукаріоти, бактерії та археї. Еукаріоти включають групи тварин, рослин і грибів. Їхні клітини зазвичай набагато більші і, на перший погляд, складніші за клітини бактерій і архей. Генетичний матеріал еукаріотів, наприклад, упакований у ядрі клітини, а клітини також мають велику кількість інших відділень. Форма клітини та транспорт всередині еукаріотичної клітини також базуються на розгалуженому цитоскелеті. Але як стався еволюційний стрибок до таких складних еукаріотичних клітин?
Одна з найпопулярніших на даний момент еволюційних теорій передбачає, що еукаріоти (включаючи тварин, рослини та гриби) виникли в результаті злиття асгардського археона з бактерією. Авторство: © Florian Wollweber, ETH Zürich
Більшість сучасних моделей припускають, що археї та бактерії відігравали центральну роль в еволюції еукаріотів. Вважається, що еукаріотична первинна клітина розвинулась із тісного симбіозу між археями та бактеріями близько двох мільярдів років тому. У 2015 році геномні дослідження зразків глибоководного середовища виявили групу так званих асгардських архей, які в дереві життя представляють найближчих родичів еукаріотів. У 2020 році японська група опублікувала перші зображення клітин Асгарда зі збагачувальних культур.
Асгардські археї вирощені з морських відкладень
Робочій групі Крісти Шлепер у Віденському університеті вперше вдалося культивувати представника цієї групи у вищих концентраціях. Він походить із морських відкладень на узбережжі Пірану, Словенія, але також мешкає у Відні, наприклад, у берегових відкладеннях Дунаю. Завдяки зростанню до високої щільності клітин цей представник може бути особливо добре вивчений. «Було дуже складно та копітко отримати цей надзвичайно чутливий організм у стабільній культурі в лабораторії», — розповідає Тіаго Родрігес-Олівейра, постдоктор у робочій групі Archaea Віденського університету та один із перших авторів дослідження.
Співавтор Рафаель Понсе бере проби морського осаду в каналі Сека в Пірані, Словенія. Авторство: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Відень
Асгардські археї мають складну форму клітини з розгалуженим цитоскелетом
Чудовий успіх віденської групи в культивуванні високозбагаченого представника Асгарду нарешті дозволив більш детально дослідити клітини за допомогою мікроскопії. Дослідники ETH із групи Мартіна Пілхофера використовували сучасний кріоелектронний мікроскоп, щоб зробити знімки клітин, заморожених при шоковій заморозці. «Цей метод дозволяє отримати тривимірне розуміння внутрішніх клітинних структур», — пояснює Пілгофер.
Електронна мікрофотографія клітини Lokiarchaeum ossiferum, яка показує довгі та складні виступи клітини. Авторство: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Відень
«Клітини складаються з круглих клітинних тіл з тонкими, іноді дуже довгими розширеннями клітин. Іноді навіть здається, що ці щупальцеподібні структури з’єднують між собою різні клітинні тіла», — каже Флоріан Воллвебер, який місяцями відстежував клітини під мікроскопом. Клітини також містять розгалужену мережу актинових ниток, які вважаються унікальними для еукаріотичних клітин. Це свідчить про те, що великі цитоскелетні структури виникли в археях до появи перших еукаріотів, і підживлює еволюційні теорії навколо цієї важливої та вражаючої події в історії життя.
Майбутні ідеї через новий модельний організм
«Наш новий організм, який називається Lokiarchaeum ossiferum, має великий потенціал для подальшого прориву у розуміння ранньої еволюції еукаріотів», — коментує мікробіолог Кріста Шлепер. «Потрібно було шість довгих років, щоб отримати стабільну та високозбагачену культуру, але тепер ми можемо використати цей досвід для виконання багатьох біохімічних досліджень і культивування інших асгардських архей». Крім того, тепер вчені можуть використовувати нові методи візуалізації, розроблені в ETH, щоб досліджувати, наприклад, тісні взаємодії між асгардськими археями та їхніми бактеріальними партнерами. Основні клітинні біологічні процеси, такі як клітинний поділ, також можна вивчати в майбутньому, щоб пролити світло на еволюційне походження цих механізмів в еукаріотах.
Довідка: «Актиновий цитоскелет і складна клітинна архітектура в археоні Асгарда» Тіаго Родрігес-Олівейра, Флоріан Воллвебер, Рафаель І. Понсе-Толедо, Цзінвей Сю, Саймон К.-М.Р. Ріттманн, Андреас Клінгл, Мартін Пілхофер і Кріста Шлепер, 21 Грудень 2022, природа.
DOI: 10.1038/s41586-022-05550-y
