Микробиологи вырастили неизвестный ранее вид Асгард-архей из гиперсоленых микробных матов и впервые сделали 3D-снимки их прямого физического контакта с симбиотическими бактериями. Анализ томограмм показал встречное структурное движение: археи формируют сложную сеть из нитей и отпочковывающихся мембранных пузырьков, а бактерии прокладывают к этой сети прямые белковые нанотрубки. Визуализация подтверждает гипотезу о том, что эукариотические клетки возникли в результате тесного физического и метаболического переплетения двух микроорганизмов.
Происхождение эукариот (организмов со сложной клеткой, включая человека) — одна из главных проблем эволюционной биологии. Считается, что около двух миллиардов лет назад древняя архея вступила в симбиоз с бактерией, которая затем превратилась в митохондрию. Современные Асгард-археи — ближайшие ныне живущие родственники этого предка. Исследователи уже находили у них гены эукариотического цитоскелета и длинные отростки, предполагая их связь с бактериями-партнерами. Однако вырастить этих микробов в чистом виде очень сложно. Поэтому до сих пор биологи не видели прямого контакта между Асгард-археями и бактериями.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Current Biology, взяли образцы из гиперсоленых микробных матов залива Шарк в Западной Австралии. Эта экосистема служит современным аналогом микробных сообществ Земли, существовавших уже более двух миллиардов лет назад. В течение пяти лет авторы культивировали микроорганизмы в бескислородной среде, постепенно доведя долю целевой археи в культуре до 89 процентов.
Новый род и вид получил название Nerearchaeum marumarumayae (видовое имя заимствовано из языка местного австралийского племени малгана и означает «древний дом»). Его постоянным спутником в культуре была сульфатредуцирующая бактерия Stromatodesulfovibrio nilemahensis. Чтобы изучить их анатомию, биологи заморозили микробов и проанализировали их с помощью криоэлектронной томографии. Этот метод позволил создать трехмерные модели клеток с нанометровой точностью. Параллельно исследователи расшифровали полные геномы обоих организмов и применили алгоритмы искусственного интеллекта (AlphaFold 3) для предсказания структуры их белков.
Контакт между клетками архей и бактерий оказался двусторонним. Он выглядит так: от круглого тела археи Nerearchaeum отходят тонкие белковые нити (фибриллы), на которых гроздьями висят цепочки мембранных пузырьков (везикул). В геноме археи биологи нашли белки комплекса ESCRT, отвечающие за деформацию мембран, — гомологи тех же самых белков, что работают в клетках человека. Таким образом, архея активно пузырит свою оболочку и многократно увеличивает площадь поверхности.
Бактерия-партнер действует иначе. Анализ 3D-модели показал, что бактерия формирует прямые межклеточные нанотрубки толщиной 8,1 нанометра. У основания каждой такой трубки в бактериальной мембране закреплен специальный белковый комплекс. Бактериальные нанотрубки пересекают межклеточное пространство и стыкуются с мембраной археи или цепляются за ее везикулярные цепочки, создавая жесткие коммуникационные мосты.
Анализ геномов объяснил причину этого сложного слияния — синтрофию (взаимовыгодный обмен). Архея расщепляет сахара, аминокислоты и липиды, выделяя водород, ацетат и сульфит. Бактерия забирает эти продукты по межклеточным каналам для получения энергии, а взамен поставляет архее витамины и недостающие аминокислоты, которые та не способна синтезировать самостоятельно.
Внутри самой археи микроскопы выявили широкие цитоплазматические трубки и особые белковые нанокапсулы, внутри которых микроб прячет токсичное железо для защиты своей ДНК от окислительного стресса. На поверхности археи биологи также нашли гигантские белки-адгезины, работающие как физические липучки для фиксации в плотной биопленке.
Встречное выстраивание мембранных пузырьков и соединительных нанотрубок наглядно демонстрирует архитектуру межвидового симбиоза на заре эволюции. Эукариотическая клетка возникла не в результате быстрого поглощения одной бактерии другой. Асгард-археи развили сложную мембранную инфраструктуру, которая позволила бактериям-симбионтам проложить к ним трубопроводы для обмена веществами в тесноте древних микробных матов.