Максим Руссо: Асгард в лаборатории

Максим Руссо Hiroyuki Imachi et al.

Японские микробиологи под руководством Хироюки Имати (Hiroyuki Imachi) и Кена Такаи (Ken Takai) сумели вырастить в лабораторных условиях архей из группы Asgard, которые, как предполагают многие биологи, наиболее близки к предкам всех организмов, имеющих клеточные ядра. Статья с описанием полученных результатов ещё не опубликована в научном журнале, но ознакомившиеся с ней рецензенты уже публично назвали её «статьей года» и сравнили важность этого исследования для микробиологии с посадкой на Луну для космонавтики.

Около двух миллиардов лет назад в ходе эволюции произошло событие огромной важности. Если раньше на Земле существовали только прокариоты — организмы без клеточного ядра, то теперь возникли более совершенные эукариоты. Они были тоже одноклеточными, но внутри их клеток имелись ядра. Другое отличие эукариот состоит в появлении у них митохондрий — особых клеточных органов, служащих для производства энергии. Сейчас уже точно установлено, что митохондрии когда-то были самостоятельными бактериями, поглощёнными эукариотической клеткой.

Эукариоты стали бурно развиваться, и теперь к числу их потомков относятся грибы, растения и животные. Все эти два миллиарда лет продолжают существовать и прокариоты. Они разделяются на две большие группы — бактерии и археи. Археи, по данным молекулярной генетики, ближе к эукариотам, чем бактерии, предполагается, что именно археи сумели обзавестись ядром и митохондриями, дав начало эукариотам. Но детали этого события неясны. В частности, учёные хотят установить, разделились ли археи и эукариоты на раннем этапе и развивались уже независимо («теория трёх доменов») или же отделение эукариот произошло позже, в процессе эволюции архей.

В 2015 году появилась надежда разобраться с деталями происхождения эукариот от архей. В рамках проекта по поиску новых видов архей биолог Тайс Эттема (Thijs Ettema) из Упсальского университета и его коллеги проанализировали 10 граммов осадка, поднятого со дна в северной части Атлантики возле подводных вулканов, известных под названием «Замок Локи». Они обнаружили, что там присутствуют последовательности генов, которые указывают на наличие неизвестных микроорганизмов. Хотя исследователи смогли выделить только несколько нанограмм разрушенной ДНК, они при помощи методов метагеномики собрали воедино эти фрагменты и восстановили частичные геномы трёх новых архей. Учёные не смогли выделить живые или мёртвые организмы, но ДНК рассказала о них достаточно много.

Новые археи получили неофициальное название Lokiarchaeota, или кратко Локи, в честь скандинавского бога. Гены, кодирующие белок актин, который нужен для создания цитоскелета, у Локи оказались гораздо ближе к эукариотическим генам, чем аналогичные гены у прочих архей. Также у Локи обнаружили гены малых ГТФаз — ферментов, играющих роль в образовании цитоскелета и функционировании везикулярного транспорта в клетке. Ещё у Локи имеются несколько генов белкового комплекса ESCRT, который у эукариот занят сгибанием и разрезанием мембран при клеточном делении и образовании везикул. Все эти данные позволяли судить, что «теория трёх доменов» неверна и что эукариоты возникли среди архей, а Локи — максимально близко к их предку.

Учёные очень хотели познакомиться с археями Локи непосредственно, но не могли обнаружить их клетки. Однако в последующие годы нашли следы ДНК родственников Локи. В 2016 году команда учёных во главе с представителями Техасского университета выделила из образцов, взятых в реке Уайт-Оук (Северная Каролина), геном архей Thorarchaeota, названных в честь бога Тора. В 2017 году вышло масштабное исследование, в котором на основе образцов из «Замка Локи», эстуария реки Уайт-Оук, водоносных горизонтов у реки Колорадо и геотермальных источников в Новой Зеландии и Японии были выявлены ещё две группы архей, родственных археям Локи. Им дали названия в честь богов Одина и Хеймдалля — Odinarchaeota и Heimdallarchaeota, а вся группа архей тогда же получила название Асгард по городу богов. Согласно реконструкции на основе генетических данных, группа Asgard разделилась на две ветви, в одну из которых вошли Lokiarchaeota, Thorarchaeota и Odinarchaeota, а в другую — Heimdallarchaeota и будущие предки эукариот.

Чтобы добиться успеха в выращивании этих архей, японским учёным потребовалось 12 лет. Хироюки, Такаи и их коллеги работали с образцами морских донных осадков, поднятых в 2006 году батискафом Shinkai 6500 с глубины примерно 2500 метров. Материалы в течение двух тысяч дней находились в биореакторах, куда постоянно подавался метан, чтобы воспроизвести атмосферу подводных гидротермальных источников. Затем небольшие образцы инкубировались в пробирках с большим количеством питательных веществ. Чтобы исключить проникновение бактериальных загрязнений, в среду были добавлены четыре антибиотика. Спустя год учёные обнаружили микроорганизмы в одной из пробирок.

Анализ ДНК показал, что микроорганизмы принадлежат к бактериям из группы Asgard. Японские исследователи нарушили традицию скандинавских названий и выбрали для них имя Prometheoarchaeum syntrophicum в честь титана Прометея. Эксперименты показывают, что Prometheoarchaeum syntrophicum обычно или даже всегда живёт в симбиозе с другим микроорганизмом, выделяющим метан. Сам Prometheoarchaeum syntrophicum расщепляет аминокислоты для получения энергии и выделяет водород, необходимый его партнёру. Сложные симбиотические отношения в этой паре, по мнению учёных, стали одной из причин, по которым представителей этой группы архей так сложно выращивать.

Исследователи секвенировали полный геном Prometheoarchaeum syntrophicum и утверждают, что он содержит некоторые гены, близкие к генам эукариот. При исследовании микроорганизма под электронным микроскопом видно, что он имеет множество разветвлённых придатков. Авторы предполагают, что с помощью подобных придатков древний представитель этой группы архей окружил бактерию, которой суждено было стать предком митохондрий в эукариотической клетке.

Препринт исследования выложен на сайте bioRxiv.org.

Смотрите также: Эпигенетические механизмы впервые обнаружены у архей Генетики строят родословное древо архей В Атлантическом океане найден микроорганизм Локи На морском дне господствуют археи