Кем были наши самые первые предки? Ответ может скрывать особая группа одноклеточных организмов с цитоскелетом, похожем на цитоскелет таких сложных организмов как животные и растения.
Десять лет назад никто даже не знал о существовании архей Asgard. Однако, в 2015 году учёные, исследовавшие отложения на глубине моря, обнаружили фрагменты генов, указывавшие на новую, ранее неизвестную форму микробов.
С помощью компьютера исследователи собрали эти фрагменты как кусочки пазла, чтобы сложить весь геном. Только потом они осознали, что имеют дело с ранее неизвестной группой архей.
Подобно бактериям, археи — одноклеточные организмы. Однако, в генетическом смысле есть существенные различия между двумя доменами, особенно в отношении их клеточной оболочки и метаболических процессов.
Проведя дальнейшие исследования, микробиологи идентифицировали соответствующие организмы, описав и классифицировав их как отдельную подгруппу архей: Asgard archea. Это название, позаимствованное у небесного царства нордической мифологии, ссылается на место, где они были впервые открыты, неподалёку от замка Локи — чёрного курильщика Срединно-Атлантического хребта, между Норвегией и Шпицбергеном.
Фактически, археи Асгард для исследователей оказалась почти манной небесной: они оказались недостающим звеном между археями и эукариотами, то есть между археями и организмами, в которых присутствует ядро, такими как растения и животные.
На одну ветвь меньше в древе жизни
В последние годы исследователи всё чаще обнаруживали то, что указывало на близкие связи между археями Асгард и эукариотами, и вторые могли развиться из первых. Разделение живых организмов на три домена бактерий, архей и эукариотов не соответствовало этому удивительному открытию.
С тех пор некоторые исследователи предлагали считать эукариоты группой, принадлежащей к археям Асгард. Это сократило бы число доменов древа жизни с трёх до двух: архей, включая эукариоты, и бактерий.
Профессор Мартин Пилхофер и его исследовательская группа в Федеральном институте технологии в Цюрихе восхищены археями Асгард, они исследуют этих удивительных микробов несколько лет.
В статье, опубликованной в Nature два года назад, исследователи их ФИТ изучили подробности клеточной структуры и архитектуры Lokiarchaeum ossiferum. Найденный в отложениях солоноватых вод канала в Словении, этот архей Асгард был выделен исследователями лаборатории Кристы Шлепер Венского университета.
В этом исследовании Пилхофер и её постдоки Дзинвей Су и Флориан Волльвебер продемонстрировали, что Lokiarchaeum ossiferum обладает определёнными структурами, также типичными для эукариотов. «Мы обнаружили у этого вида белок актин, очень похожий на белок, имеющийся у эукариотов, он содержится почти во всех обнаруженных на данный момент археях Асгард», — говорит Пилхофер.
В первом исследовании учёные комбинировали различные методы микроскопии, чтобы продемонстрировать, что этот белок, именуемый Локиактином, образует волокнистые структуры, особенно в многочисленных щупальцеобразных протрузиях этих микробов. «Похоже, они образуют цитоскелет для сложной клеточной архитектуры архей Асгард», — добавляет Флориан Волльвебер.
Помимо актиновых волокон, у эукариотов также имеются микротрубочки. Эти структуры в форме трубок — второй ключевой компонент цитоскелета, состоящий из многочисленных белков тубулинов. Эти крохотные трубки важны для транспортных процессов внутри клетки и сегрегации хромосом в ходе деления клетки.
До сих пор происхождение этих микротрубочек было неясным. В последней статье, опубликованной в Cell, исследователи из ФИТ обнаружили родственные структуры в археях Асгард и описали их структуру. Эти эксперименты показывают, что тубулины Асгард образуют подобные микротрубочки, хотя они меньше, чем у родственников-эукариотов.
Однако, лишь несколько клеток Lokiarchaeum образуют эти микротрубочки. И, в отличие от актина, эти тубулиновые белки есть у очень немногих видов архей Асгард.
Учёные пока не понимают, почему тубулины так редко появляются у Lokiarchaea и зачем они нужны клеткам. У эукариотов микротрубочки отвечают за транспортные процессы внутри клетки. В некоторых случаях двигательные белки «прогуливаются» по этим трубкам. Исследователи из ФИТ до сих пор не наблюдали таких двигательных белков в археях Асгард.
«Однако, мы показали, что трубки, образованные этими тубулинами растут с одного конца. Таким образом, мы подозреваем, что они выполняют транспортные функции, подобные тем, которые выполняют микротрубочки эукариотов», — говорит Дзинвей Су, первый соавтор исследования, опубликованного в Cell. Он создал тубулины на клеточной культуре с клетками насекомых и исследовал их структуру.
Это исследование проходило при тесном сотрудничестве специалистов в области микробиологии, биохимии, клеточной биологии и структурной биологии. «Без междисциплинарного подхода мы никогда не продвинулись бы настолько далеко», — с долей гордости подчёркивает Пихофер.
Был ли цитоскелет необходимым условием для развития сложных форм жизни? Хотя на некоторые вопросы ответ до сих пор не найден, исследователи уверены, что цитоскелет был важным шагом в эволюции эукариотов.
Этот шаг мог случиться миллиарды лет назад, когда архей Асгард вплёлся в бактерию с помощью своих выростов. В ходе эволюции из этой бактерии развилась митохондрия, служащая источником энергии современных клеток. Спустя некоторое время развилось ядро и другие отделы и родилась клетка-эукариот.
«Этот удивительный цитоскелет, вероятно, появился в начале этого развития. Он мог позволить археям Асгард образовывать отростки, таким образом способствуя их взаимодействию с бактериями и дальнейшему их поглощению», — говорит Пилхофер.
Ловись, архей Асгард!
Пилхофер и его коллеги теперь планируют обратить своё внимание на функцию актиновых волокон и тубулина архей, а также образуемых с их помощью микротрубочек.
Они также ставят целью идентифицировать белки, обнаруженные исследователями на поверхности этих микробов. Пилхофер надеется, что его группа сможет разработать антитела, строго специфичные для этих белков. Это поможет исследователям целенаправленно «ловить» архей Асгард в смешанных микробных культурах.
«У нас до сих пор есть масса вопросов об археях Асгард, остающихся без ответа, особенно касаемо их связи с эукариотами и их необычайной клеточной биологии, — говорит Пилхофер. — Поиск разгадки секретов этих микробов завораживает».
Автор — Петер Рюгг (Peter Rüegg).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Федеральным институтом технологии в Цюрихе (ETH Zurich).
Вам также может быть интересно: