Микробы со щупальцами, возможно, положили начало сложной жизни

Внимательно изучив один из таких микробов, ученые обнаружили доказательства, подтверждающие идею о том, что археи Асгарда могут быть прямыми предками животных, растений и человека. Работа опубликована в журнале Cell.

Всего десять лет назад ученые не знали, что археи Асгарда вообще существуют. Все изменилось в 2015 году, когда исследователи, анализирующие глубоководные отложения, обнаружили генетические фрагменты, указывающие на совершенно новую группу микробов.

Используя вычислительные инструменты, они собрали эти фрагменты воедино, чтобы реконструировать полный геном. Только тогда они поняли, что открыли ранее неизвестный тип архей. Археи, как и бактерии, являются одноклеточными организмами. Однако генетически они довольно сильно отличаются, особенно с точки зрения их клеточных структур и метаболических путей.

По мере того, как исследователи углублялись в исследование археи, они смогли идентифицировать живые организмы, которые соответствовали генетическим данным. Эти микробы были описаны и классифицированы как новая подгруппа архей, теперь известная как археи Асгарда. Их название, вдохновленное скандинавским мифологическим царством Асгард, отражает их открытие около «Замка Локи», гидротермальной системы источников в средней части Атлантики между Норвегией и Шпицбергеном.

Археи Асгарда оказались не просто новым типом микробов: они могут представлять собой эволюционный мост между археями и эукариотами, доменом, который включает все организмы со сложными клетками, такими как животные, растения и грибы.

В последние годы исследователи обнаружили все больше указаний на тесные связи между археями Асгарда и эукариотами, и на то, что последние могли произойти от первых. Разделение всех живых организмов на три домена: бактерии, археи и эукариоты не выдерживает этого удивительного открытия.

С тех пор некоторые исследователи предложили рассматривать эукариот как группу внутри архей Асгарда. Это сократило бы количество доменов жизни с трех до двух: археи, включая эукариот, и бактерии.

В Швейцарской высшей техни́ческой школе Цюриха (ETH Zurich) профессор Мартин Пилхофер и его команда изучают археи Асгарда в течение нескольких лет. В статье, опубликованной в Nature два года назад, исследователи изучили детали клеточной структуры и архитектуры Lokiarchaeum ossiferum — преставители филума архей Асгарда. Эта архея была найдена в отложениях солоноватого водного канала в Словении. Она была выделена исследователями в лаборатории Кристы Шлепер в Венском университете.

В новом исследовании Пилхофер и его коллеги продемонстрировали, что Lokiarchaeum ossiferum обладает определенными структурами, типичными для эукариот. «Мы обнаружили в этом виде белок актин, который очень похож на белок, обнаруженный у эукариот, и встречается почти у всех архей Асгарда, обнаруженных на сегодняшний день», — говорит Пилхофер.

Этот белок, называемый локиактином, образует нитевидные структуры, особенно в многочисленных щупальцеобразных выступах микробов. «Похоже, они образуют скелет для сложной клеточной архитектуры архей Асгарда», — говорит соавтор работы Флориан Воллвебер.

Помимо актиновых нитей, эукариоты также обладают микротрубочками. Эти трубчатые структуры являются вторым ключевым компонентом цитоскелета клетки и состоят из многочисленных белка тубулина. Эти крошечные трубочки важны для транспортных процессов внутри клетки и разделения хромосом во время деления клетки

Происхождение этих микротрубочек было неясным до сих пор. В новой работе исследователи ETH обнаружили родственные структуры в археях Асгарда и описали их структуру. Эти эксперименты показывают, что тубулины Асгарда образуют очень похожие микротрубочки, хотя и меньшие, чем у их эукариотических родственников.

Однако только несколько клеток Lokiarchaeum образовали эти микротрубочки. И, в отличие от актина, эти тубулиновые белки встречаются только у очень немногих видов архей Асгарда.

Ученые пока не понимают, почему тубулины так редко встречаются в Lokiarchaea и зачем они нужны археям. У эукариот микротрубочки отвечают за транспортные процессы внутри клетки. В некоторых случаях по этим трубкам «ходят» моторные белки. Исследователи ETH пока не наблюдали таких моторных белков в археях Асгарда. Но ученые считают, что микротрубки играют у археи ту же транспортную роль.

Был ли цитоскелет необходим для развития сложной жизни? Хотя некоторые вопросы остаются, исследователи уверены, что цитоскелет был важным шагом в эволюции эукариот.

Этот шаг мог произойти очень давно, когда архея Асгарда оплела бактерию своими придатками. В ходе эволюции эта бактерия развилась в митохондрию, которая служит источником энергии для современных клеток. Со временем ядро и другие компартменты эволюционировали — и родилась эукариотическая клетка.

«Этот замечательный цитоскелет, вероятно, был еще в начале развития. Он мог позволить археям Асгарда образовывать придатки, тем самым позволяя им взаимодействовать с бактерией, а затем захватывать и поглощать ее», — говорит Пилхофер.