В нашем свежем номере про симбиогенез с асгардархеями мы с радостью показали вам первые вероятные фотографии асгардархей, наших прокариотных родственников: размытые флуоресцирующие пятна, словно амеба наплакала. И тем не менее – достижение! Первые фотки Плутона и Харона с аппарата «Новые горизонты» тоже приводили в восторг, будь то мутью или пикселями. Те изображения локи- и хеймдалльархей еще весной были обнародованы. А теперь взгляните на это чудо из августовского препринта на сайте bioRxiv: четкая локиархея! Японские ученые не только сфотографировали ее при помощи сканирующего электронного микроскопа, но и описали как вид: Prometheoarchaeum syntrophicum! Новый вид пока что находится в статусе «кандидата», поскольку выращенный штамм еще не депонирован в международные коллекции, тем не менее это первое научное описание асгардархеи – и оно чудесно.
Японцы не ставили перед собой задачи культивировать именно асгардархею. Они собрали образцы еще в 2006 году – за десять лет до того, как об археях группы Asgard стало в принципе известно, – и попытались изолировать из них любые сложнокультивирумые микроорганизмы, включая архей. Больше пяти лет они инкубировали образцы в анаэробном проточном биореакторе с непрерывной подачей метана – микробам это наверняка нравилось, потому что их достали из Нанкайского желоба, где на глубине 2533 метра из дна как раз сочится метан. В полученной накопительной культуре были обнаружены представители локи-, хеймдалль- и одинархей (с данными ветвями Асгарда их соотнесли уже потом), еще семь лет понадобилось на то, чтобы вырастить в пробирках чистую культуру штамма MK-D1 в партнерстве с метаногенными археями Methanogenium. Как оказалось, MK-D1 – это локиархеи.
Родовое имя Prometheoarchaeum они получили в честь древнегреческого титана Прометея, который слепил людей из грязи и научил их получать энергию в присутствии кислорода (этот процесс сопровождается огнем) – тем же умением обзавелись асгардархеи, после того как обрели бактериального симбионта, «слепившись» в эукариот. Видовой эпитет syntrophicum подчеркивает совместное с метаногенами использование субстрата данными археями: они расщепляют аминокислоты и выделяют водород, который тут же подхватывают метаногены, производящие на его основе метан.
Локиархеи Prometheoarchaeum представляют собой маленькие шаровидные клетки (кокки) диаметром 300–750 нанометров (550 нм в среднем) без видимого наличия каких-либо органелл, зато с уникальными щупальцевидными мембранными выпячиваниями разной длины, иногда даже ветвящимися! Ничего подобного у других архей не находили. Как правило, собираются прометеоархеи кучками, погружаясь в общий матрикс из внеклеточных полисахаридов, в который вхожи и микробные партнеры. Удвоение популяции, по оценкам ученых, происходит раз в 14–25 дней – это одни из самых медленно делящихся микробов, известных науке (для сравнения: бактерии делятся примерно раз в час). Кроме того, их выращивание затрудняется симбиозом с метаногенами – потому-то так долго и длилось исследование.
На основе открывшейся морфологии и физиологии данных асгардархей японские ученые предложили модель симбиогенеза E3 («Entangle-Engulf-Enslave»), что можно перевести как П3 («Перевить-Поглотить-Поработить»).
По мнению авторов, предпосылкой для симбиогенеза послужила Кислородная катастрофа – примерно 2,7 млрд лет назад цианобактерии резко напыхтели огромные количества кислорода в воздух и воду, поставив древних асгардархей перед выбором: оставаться в сугубо анаэробной среде в укромных уголках океана либо переместиться к бескислородно-кислородной границе, где больше доступного субстрата для производства энергии и жизни в целом. В отличие от остальных асгардовцев предки хеймдалльархей и эукариот предпочли второй вариант: там, возле границы, они могли вольготно пировать в симбиозе с производителями органики – например, сульфатредуцирующими бактериями, толерантными к кислороду.
Самим археям кислородную проблему тоже пришлось решать: хеймдалльархеи приобрели способность к аэробному дыханию, в то время как предки эукариот полагались на факультативно аэробных партнеров, утилизирующих кислород. Сначала эти аэробные симбионты жили возле архей, перевитые выпячиваниями их мембраны, затем бактерии были попросту поглощены слившимися «щупальцами», а если они подворовывали энергию (АТФ) у новоявленных хозяев, то последние рано или поздно сумели перехватить инициативу и обязали приживал самим производить энергию, тем самым поработили их, превратив в послушных митохондрий.
Биомолекулярные подробности описанных симбиотических процессов благоразумно опустим, но отметим, что в целом модель Е3 выглядит как обобщение и уточнение тех гипотез, о которых мы писали в номере про эндосимбиогенез. А открытие Prometheoarchaeum с щупальцевидными выпячиваниями даже, можно сказать, подтверждает описанный там механизм приобретения митохондрий, предложенный Дэвидом и Баззом Баумами. Хотя, конечно, нельзя утверждать наверняка, что у предков эукариот тоже были «щупальца», – в конце концов, они относились к хеймдалльархеям или общему с ними стволу, а архея Прометея относится к локиархеям.
«Эту работу ждали многие исследователи в нашей области, – трепещет и радуется эволюционный микробиолог Тейс Эттема, чья научная группа несколько лет назад открыла локиархей и с тех пор никак не может их культивировать (сейчас он работает в Вагенингенском университете, Нидерланды). – Это монументальная статья, которая отражает огромный объем работы и упорства! И большой шаг вперед в понимании этой важной линии микробов!» Статья еще не опубликована в научном журнале (обновление: опубликована в январе 2020 года), а специалисты уже назвали ее «статьей года» и сравнили полученные результаты с высадкой на Луну. Хотя мы все же настаиваем на Плутоне.
Текст: Виктор Ковылин. Научная статья: Nature (Imachi et al., 2020), bioRxiv (2019)
Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вам понравилось его читать и вы хотите поделиться информацией с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем только рады. С уважением, Батрахоспермум.
Вас также могут заинтересовать статьи:
Эндосимбиогенезис: непростая история происхождения сложных землян
Бобовый вирус огорошил ученых своей разделенной сущностью
Кишечные археи: темная материя вашего организма
Комментарии: