Бактерии и археи - два из трех доменов жизни. Оба, должно быть, произошли от предполагаемого последнего универсального общего предка (LUCA). Одна из гипотез состоит в том, что это произошло потому, что клеточная мембрана LUCA представляла собой нестабильную смесь липидов. Теперь ученые из Гронингенского и Вагенингенского университетов создали такую форму жизни со смешанной мембраной и обнаружили, что она на самом деле стабильна, опровергнув эту гипотезу. Результаты будут опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в течение недели с 19 марта.
Есть много идей о том, как могла развиться клеточная жизнь миллиарды лет назад. Протоклетки могли образоваться в глинистых минералах или в виде простых липидных везикул. В последнем случае произошло бы так называемое «липидное деление», создавшее отдельные домены бактерий и архей, объясняет профессор молекулярной микробиологии Гронингенского университета Арнольд Дриссен. «Липидные мембраны обоих доменов различны и состоят из фосфолипидов, которые являются зеркальным отображением друг друга».
Смешанные мембраны
С технической точки зрения: липиды в мембране бактерий состоят из жирных кислот с прямой цепью, которые сложноэфирно связаны с основной цепью глицерин-3-фосфата. Но липиды в мембране архей имеют основу из глицерол-1-фосфата, с которым изопреноиды связаны эфирными связями.
Идея разделения липидов заключается в том, что у общего предка бактерий и архей была клеточная мембрана, в которой были смешаны оба типа липидов. «Эта смешанная мембрана была бы менее стабильной, чем гомогенная мембрана только из одного типа фосфолипидов, поэтому в конечном итоге произошло расщепление, в результате которого образовались два домена бактерий и архей», - говорит Дриссен.
Все это должно было произойти более 3,5 миллиардов лет назад, так что мы не можем ожидать каких-либо веских доказательств. Поэтому Дриссен и его коллеги решили «реконструировать» микроорганизм со смешанной мембраной. «Это пробовали раньше, но в результате этих экспериментов были получены бактерии с очень небольшим количеством (< 1%) архейных липидов».
Прорывы
Однако в новом исследовании этот показатель увеличился до 30 процентов. Это стало возможным благодаря двум ключевым прорывам: «В ходе предыдущих исследований мы обнаружили фермент, который имеет решающее значение для производства липидов мембран архей. Это занимает три этапа, а до этого были известны только два фермента». Другой прорыв был сделан учеными из Вагенингенского университета, объясняет Дриссен. «Им удалось увеличить производство изопреноидов в бактерии E. coli». Изопреноиды представляют собой повсеместно распространенный класс органических соединений, который включает в себя множество натуральных ароматизаторов, красителей или ароматизаторов.
Оба открытия были перенесены на обычную бактерию E. coli, что стало большим достижением генной инженерии. «И мы не знали, будет ли конечным результатом жизнеспособная клетка», - говорит Дриссен. Но в итоге получилось хорошо. С некоторой тонкой настройкой ученые создали клетку, в которой весь фосфатидилглицерин, липиды, образующие основной бислой бактериальной мембраны, был заменен их архейным эквивалентом (археидилглицерином). Это составляет 30 процентов липидов в мембране. «Эта бактерия росла с нормальной скоростью и была стабильной», - говорит Дриссен. «Таким образом, этот результат не подтверждает гипотезу о том, что смешанная мембрана по своей природе нестабильна и, таким образом, могла создать липидное деление».
Надежность
Дриссен отмечает, что ферменты архей для производства мембранных липидов менее специфичны в реакциях, которые они катализируют, чем их бактериальные эквиваленты. «Они кажутся более «изначальными». Таким образом, эволюция специфичности ферментов могла быть движущей силой разделения. Есть, конечно, одна важная оговорка: эксперименты проводились на современных бактериях E. coli, которые эволюционировали на 3,5 миллиарда лет позже первоначального разделения с археями.
'Надежность этих смешанных ячеек удивила нас. Мы ожидали больше проблем, поддерживающих их жизнь. В конце концов, то, что мы создали, представляет собой новую форму жизни». Сконструированные клетки были более вытянутыми, чем исходные E. coli. А когда производство липидов архей было очень высоким, рост замедлялся, и на мембране образовывались дольчатые придатки.
Гипертермофилы
Помимо эволюционных последствий, это открытие может породить новые исследования: «Например, мы могли бы разработать бактериальную систему экспрессии для мембранных белков архей, таких как те, которые вырабатываются гипертермофилами, которые растут при чрезвычайно высоких температурах и давлении».
Работа двух голландских университетов является частью Центра происхождения, национальной программы, посвященной изучению происхождения жизни на нашей планете.