Асгардского микроба вырастили в пробирке
Чтобы вырастить глубоководную архею из группы Локи, понадобилось 12 лет и детская питательная смесь.
Несколько лет назад в гидротермальных источниках на Срединно-Атлантическом хребте, между Норвегией и Гренландией, обнаружили необычного микроба. Изучение его позволило понять, как в живом мире возникли клетки животных, растений, грибов и вообще всех, кого называют эукариотами. Это один из трёх доменов жизни, два других – бактерии и археи. Эукариоты отличаются от двух остальных по целому ряду важных признаков – в их клетках есть ядро, в котором хранится генетический материал, а также целый набор клеточных органоидов, сделанных из липидных мембран; кроме того, у эукариот есть масса отличий на уровне базовых молекулярных процессов, как-то: синтез белка, репликация ДНК и т. д.
Бактерий и архей (которых раньше называли архебактериями) долгое время объединяли вместе, поскольку ни у бактерий, ни у архей нет ядра и мембранных органелл, однако впоследствии оказалось, что одни довольно сильно отличаются от других. Перечислять отличия мы не будем, скажем лишь, что у архей обнаружили множество особенностей, общих с эукариотами. И с археями же связана одна из главных гипотез происхождения эукариот.
Бактерии на Земле, очевидно, появились раньше, и долгое время биологи не могли понять, как и откуда рядом с бактериями появились клетки с ядрами и внутриклеточными сложноорганизованными мембранами. И вот, когда археями занялись во всеоружии молекулярно-генетических методов, возникла версия, что эукариоты есть результат симбиоза между обычной бактерией и археей.
Но в каких именно родственных отношениях находятся эукариоты и археи, всё равно оставалось неясным. С одной стороны, и те, и другие могли произойти от одного общего предка. С другой стороны, эукариотическая клетка могла возникнуть внутри какой-то уже сформировавшейся архейной группы. Сделать выбор здесь можно было бы, если бы нашёлся ещё какой-нибудь вид архей, с помощью которого можно было бы глубже прояснить генетические взаимосвязи между двумя доменами.
Такой археей оказалась Lokiarchaea (система гидротермальных источников, где ее обнаружили, называется «Замком Локи»). Впоследствии стало ясно, что у Lokiarchaea есть родственники – архея Тор (Thorarchaeota), архея Один (Odinarchaeota), архея Хеймдалль (Heimdallarchaeota); поскольку называли их именами скандинавских богов, обитающих в Асгарде, то и всю группу назвали асгардскими археями.
По генетическим данным выходило, что Lokiarchaea выглядит так, как мог бы выглядеть предок эукариотических клеток, то есть как архея, поглотившая бактерию и наладившая с ней симбиоз. Самое главное, что у археи Локи нашлись гены, которые позволяют манипулировать собственной клеточной мембраной, делать на ней впячивания и выпячивания – никакие другие бактерии и археи так делать не умеют, а без этого нельзя поселить внутри себя никакого симбионта.
Есть у Локи и другие гены, которые больше похожи на гены эукариот; более подробно мы писали о них пять лет назад, когда в Nature вышла статья про эту архею. У архей Тора, Один и Хеймдалля тоже находили «эукариотоподобные» гены, и впоследствии оказалось, что ближе всех из асгардских архей к эукариотам находится не Локи, а Хеймдалль.
Но все эти результаты были получены только при анализе генома, то есть при анализе ДНК, которую удалось выловить там, где археи Асгарда предположительно живут. Ни одного из асгардцев не получалось выращивать в лаборатории (что, на самом деле, вполне обычное дело – подобрать подходящую питательную среду и вообще условия жизни удаётся лишь для очень немногих бактерий и архей). Соответственно, многие вопросы относительно биологии асгардских архей оставались без ответа, многие результаты, полученные только генетическим анализом, невозможно было проверить на живых микробах; не говоря уже о неизбежных подозрениях, что все эти результаты получились из-за загрязнения ДНК каких-то архей обычной эукариотической ДНК.
И вот сейчас сотрудники Японского научно-технологического агентства исследований земли и моря опубликовали в Nature статью, в которой говорят, что им удалось вырастить архею Локи в лабораторных условиях. Только нужно сразу уточнить, что когда мы говорим Lokiarchaea, то есть архея Локи, то речь идёт не об одном виде, а о некой группе архей – то есть об археях Локи. Того микроба их группы Локи, которого удалось вырастить, авторы работы предлагают назвать Prometheoarchaeum syntrophicum.
Хироюки Имати (Hiroyuki Imachi ) начали пытаться выращивать архей из морских донных отложений более чем за шесть лет до того, как в 2015 году появилась статья про Локи. Изначально исследователи хотели научиться культивировать микроорганизмы, расщепляющие метан – а это чаще всего как раз археи, обитающие в почти бескислородных условиях; те археи, с которыми работали исследователи, обитают у берегов Японии на глубине 2,5 км. Для них пришлось соорудить биореактор, который поддерживал температуру в 10°С, низкий уровень кислорода и низкий уровень питательных веществ.
Через пять лет работы реактора в нём вырос пёстрый конгломерат бактерий и архей, причём археи доминировали, и среди них оказалась как раз одна из архей Локи – P. syntrophicum. Ещё семь лет понадобилось, чтобы нарастить её в достаточном количестве, причём оказалось, что наиболее активно P. syntrophicum размножается вовсе не тогда, когда условия точно копируют дно морское, а когда температура вдвое выше (то есть 20 °С), а в питательной среде есть аминокислоты, пептиды и добавка в виде детской питательной смеси.
Кроме того, P. syntrophicum зависит от других микробов, которые бы утилизировали продукты его метаболизма (кстати, P. syntrophicum выделяет в окружающую среду водород, как и было предсказано по генам архей Локи). Но даже в благоприятных условиях микроб размножается очень медленно – чтобы поделиться, у него уходит 2–4 недели.
Хотя никаких клеточных органелл, похожих на эукариотические, у P. syntrophicum нет, на поверхности его клеток есть длинные и разветвлённые выпячивания. С одной стороны, такими выпячиваниями древняя архея могла захватить бактерию для симбиоза, с другой стороны, подобные структуры на поверхности есть и у других архей за пределами группы асгардцев.
Предстоит ещё выяснить, для чего P. syntrophicum нужны выпячивания на клетках и как именно они образуются, по эукариотическому механизму или нет. Поскольку для P. syntrophicum нужна поддержка со стороны других микробов, авторы работы полагают, что зарождение эукариот могло начинаться не с двух микробов (археи, проглотившей и приручившей бактерию), а с трёх – в том смысле, что архее-предку кроме того, кого она пометила внутри себя, нужен был ещё и внешний сотрудник.
Здесь опять же нужны более подробные исследования обмена веществ и генов как у P. syntrophicum, так и у его микробных товарищей. Но, тем не менее, нельзя не признать, что выращенная (пусть и за 12 лет) капризная глубоководная архея – большой шаг вперёд для биологической науки, независимо от того, сможем ли мы с помощью этой археи подтвердить или опровергнуть гипотезы о появлении эукариотических клеток. В конце концов, не исключено, что тем же методом мы сможем вырастить в пробирке Тора, Одина и Хеймдалля, который, как было сказано, по генам считается наиболее близким к нам, то есть к эукариотам.
По материалам Nature.