Мост през 2 милиарда години: древни микроби разкриват как се е зародил сложният живот на Земята

През 2010 г. биолозите се натъкват на неочакван човешки роднина – в тинята на Северно море те откриват микроорганизми, чиито гени удивително приличат на нашите. Тези микроби бяха причислени към групата на археите Asgard (по името на обителта на боговете от скандинавския пантеон). Генетичният анализ разкри, че: всички еукариоти – от хората и сините китове до дъбовете – са в една и съща древна родствена линия с тях. Преди около два милиарда години общият прародител на една от линиите на Асгард се е отделил от останалите и именно от този клон са възникнали организмите със сложни клетки.

Дълго време не беше известно как изглеждат тези археи и какво се случва в тях. ДНК можеше да бъде извлечена от дънните утайки и да бъде изследвана, но самите клетки бяха изключително редки и слабо податливи на култивиране, така че беше почти невъзможно да бъдат наблюдавани под микроскоп. На този фон възникнаха множество хипотези: каква е формата им, каква е вътрешната структура на клетката, имат ли елементи, наподобяващи еукариотните?

Постепенно изследователите се научиха да отглеждат представители на Асгард и да ги наблюдават в дейтвителност. Най-новите разработки разкриха структурата на тези организми. В нова статия на екипите на Мартин Пилхофер (ETH Цюрих) и Криста Шльопер (Виенски университет) се описва, че част от клетъчната рамка на някои Asgard (Асгард) е забележително сходна с тази, която виждаме при сложните организми, включително хората.

При еукариотите протеините от семейството на тубулина образуват вътрешния скелет. Те са свързани в дълги микротубули, които непрекъснато нарастват в единия си край и се разпадат в другия. Тези динамични структури разпределят хромозомите по време на деленето, служат като пътища за молекулярните двигатели, които преместват товарите, и спомагат за оформянето на мембраните. Именно тази архитектура до голяма степен определя поведението на сложната клетка.

От самото начало интересът към Асгардите е подхранван от геномни открития: в тяхната ДНК са открити варианти на гени, които преди това се считаха за строго еукариотни. Това даде възможност да се разбере редът на ключовите стъпки в еволюцията на сложната клетка – кое е било първо: митохондриите, ядрото, вътрешната мембранна система или усъвършенстваната механика на цитоскелета. Както отбеляза един от изследователите, тези резултати помагат да се разкрие тайната на произхода на сложния живот.

Ролята на цитоскелета при прехода от прости форми към еукариоти вероятно е била решаваща: голямата клетка изисква сложна система за поддръжка и транспорт. През 2022 г. същият екип открива наличието на протеин, близък до актина, в археона Candidatus Lokiarchaeum ossiferum и визуализира образуваните от него нишки. Успоредно с това генетиката обърна внимание на тубулиновите гени – особено важен компонент на деленето при еукариотите: без микротубули е невъзможно правилното разделяне на хромозомите на дъщерни клетки.

Оставаше обаче един фундаментален въпрос: дали тубулиноподобните протеини на Asgard образуват истински микротубулоподобни структури и как изглеждат те? В статия от 2022 г. са описани тубулни елементи в друг член на групата, но приликата им с еукариотните им аналози е съмнителна. По същото време постдокторантът Флориан Волвебер забеляза в изображенията на Lokiarchaeum рядка изящна дъга, простираща се по цялата клетка – тънка тръбичка, открита само в малка част от препаратите.

За да разберат естеството на тези структури, учените се обърнаха към биохимията. Те изолирали два тубулиноподобни протеина от археи и им дадоха имената AtubA и AtubB, експресирали всеки от тях в клетки на насекоми, след което смесили пречистените проби в епруветка и избрали най-подходящите условия за свързване. След серия от проби в разтвора започнали да се образуват кухи цилиндри – процесът бил бърз, както е при еукариотните микротубули.

Детайлният анализ показа както разпознаваем модел, така и важни различия. Субединиците са сгънати на същите принципи като при еукариотите, но цилиндърът се състои не от тринадесет, а от пет протофиламента – миниатюрна версия на микротубула. Наблюдавана е същата динамика: растеж и разпад, които се редуват помежду си. По-малкият диаметър е логичен за миниатюрната археална клетка, но начинът, по който протеините си взаимодействат, е сходен с нашия.

Учени, които не са участвали в проекта, отбелязват и други подробности: на изображенията се виждат нишки, подобни на микротубулите, а на някои места – техни струпвания и изпъкналости, което повтаря една от хипотезите за произхода на ресничките и флагелите при ранните еукариоти. Самият формат на петте протофиламента също представлява интерес: различният брой нишки в стената на цилиндъра може да показва други задачи, заради които еволюцията е избрала геометрията.

Какво точно правят тези структури в живата клетка на Асгард все още не е ясно. На Волвебер му се е наложило да прегледа повече от петдесет клетки, за да открие безброй екземпляри с тръбовидни елементи – което означава, че подобни случаи са рядкост в условията на културата. Освен това при тези археи все още не може да се наблюдава последователно делене; те растат бавно, нуждаят се от безкислородна среда и от присъствието на симбиотични бактерии, а да се поддържат такива условия в продължение на месеци не е лесно. За да се улови моментът, в който механизмът за разпределение на ДНК наистина работи, ще е необходимо продължително непрекъснато наблюдение.

Съществува алтернативен начин: да се намери близък роднина със сравними тубулинови гени, но с бърз жизнен цикъл, да се маркират съответните протеини и да се наблюдава поведението им в реално време. Тогава ще може да се провери дали микротубулните аналози участват в деленето, както при еукариотите, или археите разчитат на други, прокариотни решения – в крайна сметка в света на бактериите и археите са известни също и други цитоскелетни протеини, които не са свързани с тубулина.

На фона на тези констатации общите очертания на историята се очертават по-ясно. Еукариотната клетка се характеризира с двуслойна липидна плазмена мембрана, ядро, митохондрии (наследници на някога свободно живеещи бактерии) и много вътрешни органели. Организацията на подобно образувание изисква добре развит цитоскелет – мрежи от актинови и тубулинови структури, които съгласувано контролират формата, транспорта и деленето. Откриването на микротубулоподобни цилиндри в археите Асгард не ги превръща в липсващото звено, но представлява вероятен мост: то показва, че ключови елементи на вътрешната механика биха могли да се появят още преди появата на пълноценни еукариоти.

Следващите стъпки са свързани с натрупване на нови данни: намиране на допълнителни култури, подобряване на техниките за визуализация, изучаване на видове с по-удобна физиология и сходен набор от гени. Колкото по-дълбоко научаваме за структурата на Асгард, толкова повече се приближаваме до отговора на главния въпрос: как един набор от древни решения, подходящи за малка архея, се е превърнал в универсален конструктор на сложната клетка – основата на разнообразието на съвременния живот.