Отлов ближайших родственников архей может раскрыть происхождение эукариот

Исследователь

Обзор

Киото, Япония – Совместная исследовательская группа под руководством Хироюки Имачи и Масару К. Нобу из Японского агентства по морским наукам и технологиям о Земле (JAMSTEC), в которую входит Сатоши Накагава из Киотского университета, впервые выделила и культивировала два штамма Heimdallarchaeia, группы архей, которые являются одними из ближайших известных архейных родственников эукариот – организмов, к которым относятся люди и другие виды. животные, а также растения и грибы. Непосредственно изучив их клетки и образ жизни, команда получила наиболее четкое представление о том, как могли выглядеть архейные предки эукариот и как они жили.

Как возникли сложные эукариотические клетки, остается одной из величайших загадок биологии. Основная гипотеза состоит в том, что они возникли, когда архейная клетка, принадлежащая к Promethearchaeota, сформировала тесное партнерство с бактерией, которая в конечном итоге стала митохондрией. В 2020 году команда JAMSTEC впервые вырастила представителя этой группы, штамм MK-D1, из глубоководных отложений. Основываясь на клеточной структуре и метаболизме, команда предложила модель E3 происхождения эукариот.

Исследования ДНК окружающей среды позже показали, что Heimdallarchaeia, линия внутри Promethearchaeota, является ближайшим архейным родственником эукариот. Некоторые исследователи предположили, что они, возможно, уже имеют сложную внутреннюю структуру и/или способность использовать кислород, как эукариоты. Однако, поскольку их никогда не выращивали в лаборатории, их клеточная организация и физиология оставались непроверенными. В этом исследовании команда успешно вырастила два штамма и непосредственно исследовала их.

Исследователи обнаружили, что внутренняя структура обоих штаммов была простой и лишена мембраносвязанных органелл, таких как ядро. Вместо этого клеточная поверхность была сложной, состоящей из множества длинных ветвящихся мембранных выступов. Эти выступы способствовали прикреплению к другим микроорганизмам и образованию симбиотических партнерств. Хотя оба штамма были кислороднезависимыми (анаэробными) микроорганизмами, один из них имел несколько систем защиты от кислорода и мог расти даже при первоначальном присутствии небольших количеств кислорода, пока также присутствовали кислородоутилизирующие (аэробные) бактерии.

Что отличает эукариот от архей, так это их сложная внутренняя структура и внутренний симбиоз с бывшей бактерией, однако то, как эти две формы проявились, остается загадкой. Во-первых, представленные результаты позволяют предположить, что архейный предок эукариот, возможно, оставался простым внутри. Во-вторых, команда также обнаружила симбиоз, опосредованный поверхностной структурой, как первую биологическую связь между структурной сложностью и симбиозом у архей.

Это подтверждает идею о том, что внутренняя сложность эукариотических клеток возникла в результате симбиоза, опосредованного поверхностной структурой, с бактериальным предком митохондрий. В-третьих, результаты также предполагают, что это раннее партнерство могло начаться в среде с низким уровнем кислорода, и партнер мог помочь анаэробным археям справиться с кислородом. Одна из этих архей, возможно, в конечном итоге приняла бактериального предка митохондрий в свою клетку, что привело к серьезным изменениям в ее клеточной структуре и метаболизме и в конечном итоге превратилось в древнего эукариота.

Недавно выращенные Heimdallarchaeia служат экспериментальной моделью для изучения происхождения эукариот. Исследуя их клеточные структуры и взаимодействие с микробными партнерами, исследователи надеются лучше понять, как простая архейная клетка дала начало сложным клеткам эукариот.