Najdawniejsi mieszkańcy Zamku Lokiego

Jak sądzicie kiedy pojawiło się życie na Ziemi? Wielu naukowców sądzi, że stosunkowo wcześnie po powstaniu planety. Jednak jedno z najbardziej znaczących wydarzeń w historii ewolucji biologicznej nastąpiło dopiero około 2 miliardów lat temu wraz z pojawieniem się pierwszych eukariotów – organizmów jednokomórkowych, które zawierają wyraźne jądro. Ta pierwsza linia eukariotyczna doprowadziłaby następnie do powstania wszystkich wyższych organizmów, w tym roślin i zwierząt, ale jej pochodzenie pozostaje niejasne. Kilka lat temu mikrobiologowie przeanalizowali sekwencje DNA z osadów morskich, co rzuciło nowe światło na problem. Osady te zostały wydobyte z hydrotermalnego otworu wentylacyjnego w miejscu znanym jako Zamek Lokiego (nazwany tak od nordyckiego boga ognia) na Grzbiecie Śródatlantyckim na Oceanie Arktycznym. Sekwencjonowanie zawartych w nich cząsteczek DNA ujawniło, że pochodzą one od nieznanej wcześniej grupy mikroorganizmów.

Zamek Lokiego

Chociaż komórki, z których pochodzi DNA, nie mogły zostać wyizolowane i scharakteryzowane bezpośrednio, dane dotyczące sekwencji wykazały, że były one ściśle związane z Archaea. Dlatego naukowcy nazwali nową grupę Lokiarchaeota.

Archaea wraz z gromadą bakterii są najstarszymi znanymi liniami organizmów jednokomórkowych. Uderzające jest to, że genomy Lokiarchaeota wykazują cechy strukturalne i biochemiczne, które w innym przypadku byłyby specyficzne dla eukariontów. Sugeruje to, że Lokiarchaeota może być spokrewniona z ostatnim wspólnym przodkiem eukariontów. Rzeczywiście, analiza filogenomiczna DNA Lokiarchaeota z Zamku Lokiego zdecydowanie sugeruje, że pochodzą one od potomków jednego z ostatnich wspólnych przodków Eukaryota i Archaea.

Profesor William Orsi z Wydziału Nauk o Ziemi i Środowiska z Uniwersytetu Ludwiga Maximiliana w Monachium, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Oldenburga i Instytutu Mikrobiologii Morskiej im. Maxa Plancka, mógł teraz bezpośrednio badać aktywność i metabolizm Lokiarchaeota. Wyniki potwierdzają sugerowany związek między Lokiarchaeota i eukariontami oraz dostarczają wskazówek dotyczących natury środowiska, w którym ewoluowali pierwsi eukarionty. Nowe odkrycia pojawiają się w czasopiśmie Nature Microbiology.

Najbardziej prawdopodobnym scenariuszem pojawienia się eukariontów jest to, że powstały w wyniku symbiozy, w której gospodarzem była komórka Archaea, a symbiontem bakteria. Zgodnie z tą teorią bakterie doprowadziła następnie do powstania mitochondriów – organelli wewnątrzkomórkowych odpowiedzialnych za produkcję energii w komórkach eukariotycznych. Jedna hipoteza sugeruje, że gospodarz archeologiczny potrzebował wodoru do podtrzymania metabolizmu i że wytwarzały go prekursory mitochondriów.

Ta „hipoteza wodoru” zakłada, że ​​dwie komórki partnerskie prawdopodobnie żyły w środowisku beztlenowym bogatym w wodór, a gdyby zostały oddzielone od źródła wodoru, stałyby się bardziej zależne od siebie, jeśli chodzi o przeżycie, potencjalnie prowadząc do endosymbiozy. „Jeśli Lokiarchaeota, jako potomkowie tego domniemanego organizmu, są również zależni od wodoru, to potwierdzałoby to hipotezę o wodorze”, mówi Orsi.

Orsi i jego zespół po raz pierwszy scharakteryzowali metabolizm komórkowy Lokiarchaeota odzyskany z rdzeni osadów uzyskanych z dna morskiego w rozległym regionie zubożonym w tlen u wybrzeży Namibii. Zrobili to, analizując RNA obecny w tych próbkach. Cząsteczki RNA są kopiowane z genomowego DNA i służą jako plany syntezy białek. Ich sekwencje odzwierciedlają zatem wzorce i poziomy aktywności genów. Analizy sekwencji ujawniły, że Lokiarchaeota w tych próbkach przewyższał bakterie 100– 1000 razy  a to zdecydowanie wskazuje, że osady te są dla nich siedliskiem sprzyjającym, promującym ich aktywność”, mówi Orsi. On i jego koledzy byli w stanie wyhodować kultury Lokiarchaeota w próbkach osadów w laboratorium. Umożliwiło im to badanie metabolizmu tych komórek przy użyciu stabilnych izotopów węgla jako markerów.

Wyniki wykazały, że mikroorganizmy wykorzystują złożoną sieć szlaków metabolicznych. Ponadto dane potwierdziły, że Lokiarchaea rzeczywiście wykorzystuje wodór do wiązania dwutlenku węgla. Proces ten poprawia wydajność metabolizmu i pozwala tym gatunkom utrzymać wysoki poziom aktywności biochemicznej, pomimo ograniczonych energetycznie warunków w ich beztlenowym środowisku naturalnym. „Nasze dowody eksperymentalne potwierdzają hipotezę wodoru dla pierwszej komórki eukariotycznej” – mówi Orsi. „W konsekwencji najwcześniejsze eukarionty mogły pochodzić ze zubożałych w tlen i bogatych w wodór osadów morskich, takich jak te, w których współczesna Lokiarchaeota jest dziś szczególnie aktywna”.

Dodaj komentarz