Новое исследование экологии загадочной группы новых одноклеточных организмов, проведенное учеными из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене, подтверждает идею о том, что водород сыграл важную роль в эволюции эукариот, первых ядерных клеток.
Одно из самых важных событий в истории биологической эволюции произошло примерно 2 миллиарда лет назад с появлением первых эукариот - одноклеточных организмов, содержащих отчетливое ядро. Эта первая эукариотическая линия впоследствии дала начало всем высшим организмам, включая растения и животных, но ее происхождение остается неясным. Несколько лет назад микробиологи проанализировали последовательности ДНК из морских отложений, что пролило новый свет на проблему. Эти отложения были извлечены из гидротермального источника в месте, известном как Замок Локи (названном в честь скандинавского бога огня) на Срединно-Атлантическом хребте в Северном Ледовитом океане. Секвенирование содержащихся в них молекул ДНК показало, что они произошли от ранее неизвестной группы микроорганизмов.
Хотя клетки, из которых произошла ДНК, не могли быть выделены и охарактеризованы напрямую, данные о последовательности показали, что они тесно связаны с археями. Поэтому исследователи назвали новую группу Lokiarchaeota.
Археи вместе с типом Бактерии являются старейшими известными линиями одноклеточных организмов. Поразительно, но геномы Lokiarchaeota показали, что они могут проявлять структурные и биохимические особенности, которые в остальном специфичны для эукариот. Это говорит о том, что локиархеоты могут быть связаны с последним общим предком эукариот. Действительно, филогеномный анализ ДНК локиархеот из замка Локи убедительно показал, что они произошли от потомков одного из последних общих предков эукариот и архей. Профессор Уильям Орси из Департамента наук о Земле и окружающей среде в LMU в сотрудничестве с учеными из Ольденбургского университета и Института морской микробиологии им. Макса Планка теперь смог напрямую изучить активность и метаболизм локиархеот. Результаты подтверждают предполагаемую связь между локиархеотами и эукариотами и дают намеки на природу среды, в которой развивались первые эукариоты. Новые данные опубликованы в журнале Nature Microbiology.
Наиболее вероятный сценарий появления эукариот состоит в том, что они возникли в результате симбиоза, в котором хозяином была клетка археи, а симбионтом - бактерия. Согласно этой теории, бактериальный симбионт впоследствии дал начало митохондриям - внутриклеточным органеллам, отвечающим за выработку энергии в эукариотических клетках. Одна из гипотез предполагает, что метаболизм архей-хозяев зависел от водорода и что его производил предшественник митохондрий. Эта «водородная гипотеза» утверждает, что две клетки-партнеры предположительно жили в бескислородной среде, богатой водородом, и если бы они были отделены от источника водорода, они стали бы более зависимыми друг от друга в плане выживания, что потенциально могло привести к эндосимбиотическому событию. «Если локиархеоты, как потомки этого предполагаемого археона, также зависят от водорода, это подтверждает водородную гипотезу», - говорит Орси. «Однако до сих пор экология этих архей в их естественной среде обитания была предметом спекуляций».
Орси и его команда впервые охарактеризовали клеточный метаболизм Lokiarchaeota, извлеченный из образцов отложений, полученных с морского дна в обширном бедном кислородом районе у побережья Намибии. Они сделали это, проанализировав РНК, присутствующую в этих образцах. Молекулы РНК копируются с геномной ДНК и служат чертежами для синтеза белков. Таким образом, их последовательности отражают паттерны и уровни генной активности. Анализ последовательности показал, что Lokiarchaeota в этих образцах превосходит количество бактерий в 100-1000 раз. «Это убедительно указывает на то, что эти отложения являются для них благоприятной средой обитания, способствующей их активности», - говорит Орси.
Он и его коллеги смогли установить накопительные культуры локиархеот в образцах донных отложений в лаборатории. Это позволило им изучить метаболизм этих клеток, используя в качестве маркеров стабильные изотопы углерода. Результаты показали, что микроорганизмы используют сложную сеть метаболических путей. Более того, данные подтвердили, что локиархеи действительно используют водород для фиксации углекислого газа. Этот процесс повышает эффективность метаболизма и позволяет этим видам поддерживать высокий уровень биохимической активности, несмотря на энергетически ограниченные условия их бескислородной естественной среды обитания.«Наши эксперименты подтверждают водородную гипотезу первой эукариотической клетки», - говорит Орси. «Следовательно, самые ранние эукариоты могли возникнуть в обедненных кислородом и богатых водородом морских отложениях, таких как те, в которых сегодня особенно активны современные локиархеоты».