Воздух, земля и вода нашей планеты пульсируют живыми существами. Тем не менее, существует обширная и разнообразная паутина жизни, о которой почти ничего не известно. Это мир жгутиконосцев, крошечных организмов, которые существуют в ошеломляющих количествах во многих разнообразных экосистемах по всему миру.
По словам Джереми Уайдмана, исследователя из Центра биодизайна механизмов эволюции Университета штата Аризона, нам есть чему поучиться у этих хрупких и дико разнообразных существ. Среди других сюрпризов жгутиконосцы могут дать ценные подсказки о неясном событии, которое могло произойти 1.5-2 миллиарда лет назад (никто точно не знает точное время), с появлением нового типа клеток.
Известное как LECA, это было своего рода первичное яйцо, из которого взорвалось и распространилось по земле удивительное изобилие сложной жизни - от жгутиковых организмов, грибов и растений до насекомых, зебр и людей.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Microbiology, Уайдман и его коллеги, включая профессора Томаса Ричардса из Эксетерского университета, описывают новый метод исследования геномов эукариотических жгутиковых организмов, которые, как известно, сложно обнаружить. определение и последовательность.
В частности, они исследовали образцы митохондриальной ДНК, секвенировав около 100 таких геномов ранее незадокументированных жгутиконосцев. Новая техника может помочь таким ученым, как Уайдман, начать заполнять практически пустую часть эукариотической головоломки, где процветает жгутиковая жизнь.
Сотовые миры
Уайдман, изначально занимавшийся традиционным клеточным биологом, был разочарован множеством нерешенных вопросов в этой области, недавно присоединившись к новой дисциплине эволюционной клеточной биологии. Эта быстро развивающаяся область исследований использует клетки в качестве фундаментальных единиц для изучения эволюционных процессов и импортирует концепции из эволюционной биологии, чтобы лучше понять, как работают клетки. «Я буквально клеточный биолог, который хочет знать больше о вещах, о которых мы ничего не знаем», - говорит он.
Эволюционная клеточная биология - это глубоко междисциплинарное исследование, объединяющее эволюционную теорию, геномику и клеточную биологию с количественными разделами биохимии, биофизики и популяционной генетики.
Жгутиконосцы включают в себя множество паразитов, вызывающих заболевания у человека, от кишечных жуков Giardia до более опасных трипаносом и лейшманий. Жгутиконосцы также выполняют более доброжелательные задачи. Будучи основными потребителями бактерий и других простейших в водных экосистемах, они помогают обеспечить рециркуляцию ограниченных питательных веществ.
Одноклеточные эукариотические организмы, к которым относятся жгутиконосцы, составляют подавляющее большинство эукариотического разнообразия, значительно опережая более привычные многоклеточные растения, животных и грибы. Несмотря на их важность и повсеместное распространение по всему земному шару, жгутиконосцы, как подчеркивает Уайдман, являются почти полностью неизвестными обитателями живого мира и одними из самых загадочных. При рассмотрении под микроскопом их внешний вид, часто похожий на научную фантастику, заметно отличается от видов эукариотических клеток, обычно описанных в учебниках по биологии. Их появление из сравнительно рудиментарных прокариот знаменует собой самый важный переход в истории жизни на Земле.
«Новые линии гетеротрофных жгутиконосцев обнаруживаются с тревожной скоростью», - говорит Видеман. «За последние два года были обнаружены 2 родословных уровня царства (см. здесь и здесь), что означает родословные, которые развивались независимо от животных и грибов на протяжении более миллиарда лет.«Тем не менее, исследователи едва касаются поверхности этого поразительного разнообразия, и необходимо использовать новые методы, чтобы ускорить поиски. (Гетеротрофы - это организмы, которые не могут синтезировать свою собственную пищу, полагаясь вместо этого на другие организмы для питания.)
Микробное сафари
Любая капля воды в пруду, озере или океане, скорее всего, содержит много жгутиковых, но отделить их от множества нежгутиковых и точно прочитать их геномы обычными средствами было долгой и кропотливой работой. Геномные последовательности известны лишь незначительной части существующих жгутиконосцев, и даже возможно, что подавляющее большинство никогда не видели. Согласно Видеману, жгутиковые формы жизни представляют собой «темную материю» эукариотической вселенной.
«Целью являются гетеротрофные жгутиковые», - говорит Уайдман. «Это не родословная. Их много, много родословных со всего древа жизни. LECA, последний общий предок эукариот, был гетеротрофным жгутиконосцем, а это означает, что каждая основная линия (эукариот) произошла от какого-либо гетеротрофного жгутиконосца».
Чтобы получить доступ к неуловимой митохондриальной ДНК жгутиковых, исследователи использовали особенность, общую для всех жгутиковых и от которой они получили свое название, - наличие жгутиков, которые, в отличие от сперматозоидов животных, находятся на передней части клеток и часто используются, чтобы тянуть их вперед, как микроскопический удар грудью, но также участвуют в ощущении, питании и, возможно, в других, пока еще неизвестных функциях.
Жгутики богаты особым белком, известным как тубулин. Новый метод идентификации жгутиконосцев и отличия их от их водных соседей, в первую очередь водорослей и бактерий, использует этот факт, применяя селективную окраску к жгутиконосцам организмов, активируемых высоким содержанием тубулина. (Клетки водорослей естественным образом отмечены своими хлоропластами, которых нет у жгутиконосцев, представляющих интерес для нового исследования.)
Пробы морской воды, собранные в 2014 году у побережья Калифорнии, послужили тестовым примером. Используя эту технику, исследователи собрали огромное количество данных о митохондриальных последовательностях, значительно расширив каталог жгутиконосцев, идентифицированных с помощью молекулярных методов. Действительно, они удвоили существующую библиотеку митохондриальной ДНК жгутиковых организмов. «У нас было много, много разных видов организмов. Так что это была очень богатая выборка, и очень немногие были идентичными», - говорит Уайдман.
В поисках LECA
Помимо тайны происхождения жизни, загадка происхождения эукариот и того, как произошло событие LECA, является самым важным и мучительным вопросом без ответа во всей биологии. (Ее называют черной дырой в сердце живого мира.)
Правильное установление последовательности событий, лежащих в основе важных инноваций внутри эукариот, из которых возникла вся сложная жизнь, потребует гораздо больше исследований в неисследованных областях существующей эукариотической области, в частности жгутиковых. Уайдман считает, что быстрое развитие методов идентификации и секвенирования этих организмов, подобных описанному в новом исследовании, дает надежду, что такие вопросы могут когда-нибудь найти ответы.