Мост през 2 милиарда години: древни микроби разкриват как се е зародил сложният живот на Земята
През 2010 година биолозите се натъкват на непредвиден човешки родственик – в тинята на Северно море те откриват микроорганизми, чиито гени изумително наподобяват на нашите. Тези микроби бяха причислени към групата на археите Asgard (по името на обителта на боговете от скандинавския пантеон). Генетичният разбор разкри, че: всички еукариоти – от хората и сините китове до дъбовете – са в една и съща антична родствена линия с тях. Преди към два милиарда години общият предшественик на една от линиите на Асгард се е отделил от останалите и точно от този клон са зародили организмите със комплицирани кафези.
Дълго време не беше известно по какъв начин наподобяват тези археи и какво се случва в тях. ДНК можеше да бъде извлечена от дънните утайки и да бъде изследвана, само че самите кафези бяха извънредно редки и едва податливи на обработване, тъй че беше съвсем невероятно да бъдат следени под микроскоп. На този декор породиха голям брой хипотези: каква е формата им, каква е вътрешната конструкция на клетката, имат ли детайли, наподобяващи еукариотните?
Постепенно откривателите се научиха да отглеждат представители на Асгард и да ги следят в дейтвителност. Най-новите разработки разкриха структурата на тези организми. В нова публикация на екипите на Мартин Пилхофер (ETH Цюрих) и Криста Шльопер (Виенски университет) се разказва, че част от клетъчната рамка на някои Asgard (Асгард) е удивително сходна с тази, която виждаме при комплицираните организми, в това число хората.
При еукариотите протеините от фамилията на тубулина образуват вътрешния скелет. Те са свързани в дълги микротубули, които непрестанно нарастват в единия си край и се разпадат в другия. Тези динамични структури разпределят хромозомите по време на деленето, служат като пътища за молекулярните мотори, които реалокират товарите, и спомагат за оформянето на мембраните. Именно тази архитектура значително дефинира държанието на комплицираната клетка.
От самото начало ползата към Асгардите е подхранван от геномни открития: в тяхната ДНК са открити разновидности на гени, които преди този момент се считаха за строго еукариотни. Това даде опция да се разбере редът на основните стъпки в еволюцията на комплицираната клетка – кое е било първо: митохондриите, ядрото, вътрешната мембранна система или усъвършенстваната механика на цитоскелета. Както означи един от откривателите, тези резултати оказват помощ да се разкрие тайната на произхода на комплицирания живот.
Ролята на цитоскелета при прехода от елементарни форми към еукариоти евентуално е била решаваща: огромната клетка изисква комплицирана система за поддръжка и превоз. През 2022 година същият екип открива съществуването на протеин, непосредствен до актина, в археона Candidatus Lokiarchaeum ossiferum и пресъздава формираните от него влакна. Успоредно с това генетиката обърна внимание на тубулиновите гени – изключително значим съставен елемент на деленето при еукариотите: без микротубули е невероятно вярното делене на хромозомите на дъщерни кафези.
Оставаше обаче един фундаментален въпрос: дали тубулиноподобните протеини на Asgard образуват същински микротубулоподобни структури и по какъв начин наподобяват те? В публикация от 2022 година са разказани тубулни детайли в различен член на групата, само че приликата им с еукариотните им аналози е съмнителна. По същото време постдокторантът Флориан Волвебер видя в изображенията на Lokiarchaeum рядка изящна дъга, разпростряла се по цялата клетка – тънка тръбичка, открита единствено в дребна част от препаратите.
За да схванат 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 кафези на инсекти, след което смесили пречистените проби в епруветка и избрали най-подходящите условия за свързване. След серия от проби в разтвора почнали да се образуват кухи цилиндри – процесът бил бърз, както е при еукариотните микротубули.
Детайлният разбор сподели както различим модел, по този начин и значими разлики. Субединиците са сгънати на същите правила като при еукариотите, само че цилиндърът се състои не от тринадесет, а от пет протофиламента – дребна версия на микротубула. Наблюдавана е същата динамичност: напредък и разпад, които се редуват между тях. По-малкият диаметър е логически за дребната археална клетка, само че методът, по който протеините си взаимодействат, е подобен с нашия.
Учени, които не са взели участие в плана, означават и други детайлности: на изображенията се виждат влакна, сходни на микротубулите, а на някои места – техни скупчвания и изпъкналости, което повтаря една от хипотезите за произхода на ресничките и флагелите при ранните еукариоти. Самият формат на петте протофиламента също съставлява интерес: другият брой влакна в стената на цилиндъра може да демонстрира други задания, поради които еволюцията е избрала геометрията.
Какво тъкмо вършат тези структури в живата клетка на Асгард към момента не е ясно. На Волвебер му се е наложило да прегледа повече от петдесет кафези, с цел да открие безчет екземпляри с тръбовидни детайли – което значи, че сходни случаи са необичайност в изискванията на културата. Освен това при тези археи към момента не може да се следи поредно делене; те порастват постепенно, нуждаят се от безкислородна среда и от наличието на симбиотични бактерии, а да се поддържат такива условия в продължение на месеци не е елементарно. За да се улови моментът, в който механизмът за систематизиране на ДНК в действителност работи, ще е належащо дълготрайно непрестанно наблюдаване.
Съществува различен метод: да се откри непосредствен родственик със сравними тубулинови гени, само че с бърз витален цикъл, да се маркират съответните протеини и да се следи държанието им в действително време. Тогава ще може да се ревизира дали микротубулните аналози вземат участие в деленето, както при еукариотите, или археите разчитат на други, прокариотни решения – в последна 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 контури на историята се обрисуват по-ясно. Еукариотната клетка се характеризира с двуслойна липидна плазмена мембрана, ядро, митохондрии (наследници на в миналото свободно живеещи бактерии) и доста вътрешни органели. Организацията на сходно образувание изисква добре развъртян цитоскелет – мрежи от актинови и тубулинови структури, които в съгласие управляват формата, превоза и деленето. Откриването на микротубулоподобни цилиндри в археите Асгард не ги трансформира в изчезналото звено, само че съставлява евентуален мост: то демонстрира, че основни детайли на вътрешната механика биха могли да се появят още преди появяването на пълноценни еукариоти.
Следващите стъпки са свързани с струпване на нови данни: намиране на спомагателни култури, възстановяване на техниките за визуализация, проучване на типове с по-удобна физиология и подобен набор от гени. Колкото по-дълбоко научаваме за структурата на Асгард, толкоз повече се приближаваме до отговора на основния въпрос: по какъв начин един набор от антични решения, подобаващи за дребна архея, се е трансформирал в повсеместен конструктор на комплицираната клетка – основата на разнообразието на актуалния живот.
