Το Microbe Tests Story of Complex Life

Τον Σεπτέμβριο του 2014, η Christa Schleper ξεκίνησε μια ασυνήθιστη κυνηγετική αποστολή στη Σλοβενία. Αντί να αναζητήσει το τυπικό λατομείο ελαφιού ή αγριόχοιρου, ο Schleper έψαχνε για Lokiarchaeota, ή Loki, μια πρόσφατα ανακαλυφθείσα ομάδα οργανισμών που εντοπίστηκε για πρώτη φορά κοντά σε οπές βαθέων υδάτων στα ανοικτά των ακτών της Νορβηγίας. Τα απλά, μονοκύτταρα πλάσματα έχουν τραβήξει το ενδιαφέρον των επιστημόνων επειδή δεν μοιάζουν με κανέναν άλλο οργανισμό που είναι γνωστός στην επιστήμη. Ανήκουν σε μια αρχαία ομάδα πλασμάτων γνωστή ως αρχαία, αλλά φαίνεται να μοιράζονται ορισμένα χαρακτηριστικά με πιο σύνθετες μορφές ζωής, συμπεριλαμβανομένου και εμάς.

Αν και λίγα είναι γνωστά για τον Loki, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι θα βοηθήσει στην επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια της βιολογίας:πώς η ζωή μετατράπηκε από απλούς μονοκύτταρους οργανισμούς στο θηριοτροφείο περίπλοκης ζωής γνωστών ως ευκαρυώτες - μια κατηγορία που περιλαμβάνει τα πάντα, από μαγιά μέχρι αζαλέες έως ελέφαντες. «Δίπλα στην προέλευση της ζωής, πιθανώς δεν υπάρχει μεγαλύτερο μυστήριο στην ιστορία της ζωής», είπε ο John Archibald, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Dalhousie στη Νέα Σκωτία.

Το άλμα από μεμονωμένα κύτταρα σε πολύπλοκα πλάσματα είναι τόσο αινιγματικό γιατί αντιπροσωπεύει ένα τεράστιο εξελικτικό χάσμα. «Πώς φτιάχνεις έναν ευκαρυωτικό, αυτό είναι ένα μεγάλο ερώτημα», είπε ο Schleper, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην Αυστρία. "Είναι μια τεράστια μετάβαση."

Αν και οι μονοκύτταροι οργανισμοί καλύπτουν τη Γη και είναι ικανοί για εντυπωσιακή βιοχημεία - μερικοί μπορούν να τρώνε πυρηνικά απόβλητα, για παράδειγμα - η δομή και το σχήμα τους παραμένουν απλά. Τα κύτταρα από ζώα, φυτά και μύκητες, που αποτελούν τους ευκαρυώτες, είναι πολύ πιο εξελιγμένα. Διαθέτουν μια σειρά από χαρακτηριστικά που λείπουν από τα πιο απλά αδέρφια τους:έναν πυρήνα που στεγάζει το DNA. μια συσκευή παραγωγής ενέργειας γνωστή ως μιτοχόνδριο. και μοριακή αρχιτεκτονική, γνωστή ως κυτταροσκελετός, που ελέγχει το σχήμα και την κίνηση των κυττάρων.

Οι περισσότεροι βιολόγοι συμφωνούν ότι κάποια στιγμή πριν από περίπου δύο δισεκατομμύρια χρόνια, ένα κύτταρο χωρίς χαρακτηριστικά κατάπιε ένα άλλο και τα δύο άρχισαν να συνεργάζονται ως ένα. Αλλά οι λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας - είτε αυτή η συμβίωση ξεκίνησε μια εξελικτική διαδικασία είτε αν συνέβη στη μέση της διαδρομής προς τους ευκαρυώτες - συνεχίζουν να προκαλούν τεράστιες διαμάχες στο πεδίο. Μια ομάδα θεωρεί ότι οι ευκαρυώτες εμφανίστηκαν σε μια ταχεία έκρηξη, οδηγούμενοι από την απόκτηση των εργοστασίων κυτταρικής ενέργειας που είναι γνωστά ως μιτοχόνδρια. Άλλοι προτείνουν μια πιο αργή, σταδιακή διαδικασία. Λένε ότι τα μιτοχόνδρια δεν θα μπορούσαν να έχουν αναπτυχθεί σε απλά κύτταρα. Κάποιο επίπεδο πολυπλοκότητας πρέπει να έχει εξελιχθεί πριν από την εμφάνιση των μιτοχονδρίων. Η συζήτηση έχει αυξηθεί τόσο πολύ που τα μέλη κάθε στρατοπέδου δεν παρακολουθούν πλέον τις συνεδριάσεις του άλλου.

Δεδομένου ότι οι βιολόγοι δεν μπορούν να ταξιδέψουν πίσω στο χρόνο, αναζητούν ενδείξεις σε επιζούσες μορφές ζωής. Αλλά δεν υπάρχουν ανιχνεύσιμα ενδιάμεσα μεταξύ της αρχαίας, μονοκύτταρης ζωής και των πρώιμων ευκαρυωτών, καθιστώντας σχεδόν αδύνατη την ανασύσταση της σειράς των εξελικτικών γεγονότων. «Όταν κάτι συμβαίνει μόνο μία φορά, είναι δύσκολο να αντιμετωπίσεις το πρόβλημα», είπε ο Άρτσιμπαλντ. «Έμεινε να μελετάμε την αλληλουχία DNA των σύγχρονων οργανισμών και να προσπαθούμε να τη συνδυάσουμε».

Εισάγετε το Loki, το οποίο ορισμένοι επιστήμονες έχουν ονομάσει ως μικροβιακό ελλείποντα κρίκο. Προέρχεται από μια αρχαία καταγωγή και είναι ένας απλός οργανισμός με μπαλώματα φαινομενικής πολυπλοκότητας. Η γενετική ανάλυση τοποθετεί τον Loki ακριβώς μέσα στη μονοκύτταρη αρχαία. Αλλά διαθέτει μια συναρπαστική συλλογή γονιδίων που μοιάζουν σαν να είναι περισσότερο στο σπίτι στους ευκαρυώτες, μάλλον σαν σύγχρονες λέξεις που διακρίνονται σε ένα μεσαιωνικό χειρόγραφο. Στην πραγματικότητα, ο γενετικός μηχανισμός του Loki υποδηλώνει ότι ο οργανισμός μπορεί να είναι σε θέση να καταπιεί άλλα κύτταρα, το πρώτο βήμα στη δημιουργία μιτοχονδρίων. «Αυτά τα γονίδια θα μπορούσαν να παρέχουν ένα κιτ εκκίνησης για την ευκαρυογένεση, την εμφάνιση ευκαρυωτών», είπε ο Thijs Ettema, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία που περιέγραψε για πρώτη φορά τον Loki σε συνεργασία με τον Schleper στο Nature τον περασμένο Μάιο.

Ο Λόκι σκιαγραφεί έτσι μια νέα πιθανή ιστορία προέλευσης για τους ευκαρυώτες, μια που βαδίζει σε μια μέση διαδρομή μεταξύ των δύο άκρων. Τα μιτοχόνδρια μπορεί να γεννήθηκαν νωρίς στην εξέλιξη των ευκαρυωτών. Αλλά αυτός ο πρώτος μιτοχονδριακός ξενιστής μπορεί να έχει ήδη κάποια εξελιγμένα χαρακτηριστικά, κυρίως την ικανότητα να καταπίνει άλλα κύτταρα. «Υποδηλώνει ότι [οι Λόκι] αποτελούν σκαλοπάτι προς την ευκαρυωτική πολυπλοκότητα», είπε ο Άρτσιμπαλντ.

Ο Schleper, ο Ettema και άλλοι αναζητούν τώρα νέες ποικιλίες Loki, ελπίζοντας να βρουν κάποιες που να είναι ακόμη πιο κοντά στους ευκαρυώτες στο εξελικτικό δέντρο. Η αποστολή του Schleper στη Σλοβενία ​​ήταν μέρος αυτού του συνεχιζόμενου κυνηγιού. Το ταξίδι ήταν επιτυχές, αν και είναι απρόθυμη να αποκαλύψει τις λεπτομέρειες από φόβο μήπως την συλλάβουν. Σαν αναζητητής χρυσού, έχει τις δικές της μυστικές μεθόδους για να βρει τις πιο υποσχόμενες τοποθεσίες για την εύρεση του Λόκι. Ωστόσο, οι ανακαλύψεις της είναι ακόμη πιο πολύτιμες — υπόσχονται να φωτίσουν το μυστήριο του πόσο πολύπλοκη ξεκίνησε η ζωή.

Μιτοχονδριακή Συγχώνευση

Οι ευκαρυώτες έχουν μια σειρά από καινοτομίες σε σύγκριση με τους πιο πρωτόγονους αρχαίους προγόνους τους. Τα πιο αξιοσημείωτα από αυτά είναι ο πυρήνας, ο οποίος φιλοξενεί πολύ περισσότερο DNA από ό,τι μπορούν να φιλοξενήσουν τα βακτήρια και τα αρχαία, και το μιτοχόνδριο, το οποίο παρέχει την ενέργεια για την παραγωγή των πολλών πρωτεϊνών που παράγονται από αυτό το γονιδίωμα.

Τόσο ο πυρήνας όσο και το μιτοχόνδριο αντικατοπτρίζουν μια αξιοσημείωτη συγχώνευση που έλαβε χώρα νωρίς στην ευκαρυωτική ζωή. Κάποια στιγμή, ένας αρχαιώνας ή ένας πρωτόγονος ευκαρυώτης κατέκλυσε ένα βακτήριο, αναπτύσσοντας μια συμβιωτική σχέση. Κόντρα σε όλες τις πιθανότητες, οι δύο οργανισμοί συνδέθηκαν αμετάκλητα μεταξύ τους. Το μόνιμο βακτήριο εξαρτιόταν όλο και περισσότερο από το κύτταρο ξενιστή του, παραδίδοντας τη συντριπτική πλειοψηφία των γονιδίων του, μερικά από τα οποία κατέληξαν στον πυρήνα. Το αποτέλεσμα ήταν μια μοναδική εξέλιξη στην ιστορία της εξέλιξης που γέννησε το μιτοχόνδριο.

Βίντεο: Μια αμοιβάδα καταναλώνει δύο παραμέσια. Ένα παρόμοιο γεγονός μεταξύ δύο πολύ απλούστερων οργανισμών πριν από δύο δισεκατομμύρια χρόνια οδήγησε σε κύτταρα με πολύπλοκα εσωτερικά χαρακτηριστικά.

"Ένα μεμονωμένο γεγονός σε τέσσερα δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης σμίλεψε ολόκληρη τη μελλοντική εξέλιξη των ευκαρυωτών - αυτό είναι κάπως παράξενο", δήλωσε ο Nick Lane, βιοχημικός στο University College του Λονδίνου. "Οι πιθανότητες είναι ότι θα πήγαινε στραβά, επειδή οι δύο οργανισμοί πρέπει να καταλάβουν πώς να τα πάνε καλά και να συγχρονίσουν τους κύκλους της ζωής τους."

Το πώς και πότε ακριβώς εμφανίστηκαν τα μιτοχόνδρια είναι μια από τις μεγαλύτερες διαμάχες σχετικά με την προέλευση των ευκαρυωτών. Τα μιτοχόνδρια εμφανίστηκαν νωρίς ή οι ευκαρυώτες αναπτύχθηκαν σταδιακά με την πάροδο του χρόνου, αποκτώντας μιτοχόνδρια κάπου στην πορεία;

«Το πεδίο είναι πραγματικά κολλημένο στο ερώτημα εάν το μεγαλύτερο μέρος της ευκαρυωτικής κυτταρικής πολυπλοκότητας προέκυψε πριν, κατά τη διάρκεια ή μετά την εξέλιξη των μιτοχονδρίων», είπε ο Archibald. Η συζήτηση είναι τόσο έντονη που όταν ο Ettema άρχισε να διερευνά αυτήν την ερώτηση, οι συνάδελφοι του είπαν ότι θα ήταν αυτοκτονία σταδιοδρομίας.

Η πρώτη επιλογή, που ονομάζεται πρώιμη θεωρία της μεγάλης έκρηξης ή των μιτοχονδρίων, προβλέπει ότι ένας πρωτόγονος αρχαιώνας κατέκλυσε ένα βακτήριο, ένα γεγονός που οδήγησε την ανάπτυξη των ευκαρυωτών. Αλλά δεν είναι σαφές πώς ο αρχαίος θα μπορούσε να έχει πάρει αυτό το βακτήριο. Οι επιστήμονες γνωρίζουν μόνο δύο περιπτώσεις όπου βακτήρια ζουν μέσα σε άλλα βακτήρια. (Οι ευκαρυώτες, από την άλλη πλευρά, συχνά φιλοξενούν συμβιωτικά βακτήρια.) «Αυτό είναι ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια που αντιμετωπίζει το πρώτο σενάριο των μιτοχονδρίων», δήλωσε ο Eugene Koonin, εξελικτικός βιολόγος στο Εθνικό Κέντρο Πληροφοριών Βιοτεχνολογίας στο Bethesda, Md.

Η δεύτερη επιλογή, που μερικές φορές ονομάζεται θεωρία αργής σταγόνας ή μιτοχονδρίων, υποστηρίζει ότι οι πρωτο-ευκαρυώτες είχαν ήδη αρχίσει να αναπτύσσουν πολύπλοκα χαρακτηριστικά - ιδιαίτερα την ικανότητα να καταβροχθίζουν το θήραμα - όταν τα μιτοχόνδρια ήρθαν στο σκάφος. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, οι πιο αρχαίοι ευκαρυώτες θα πρέπει να στερούνται μιτοχόνδριων.

Τα στοιχεία κάποτε φαινόταν να δείχνουν προς αυτήν την επιλογή. Για παράδειγμα, σε ορισμένα παράσιτα, όπως το giardia, λείπουν τα μιτοχόνδρια. Οι επιστήμονες αρχικά θεώρησαν ότι αυτά τα παράσιτα δεν είχαν ποτέ το οργανίδιο. Αλλά τα τελευταία χρόνια, έχει γίνει σαφές ότι αυτοί οι οργανισμοί απλώς έχασαν τα μιτοχόνδριά τους κατά τη διάρκεια της εξέλιξης.

Η ανακάλυψη του Loki ανοίγει ένα είδος μέσης οδού μεταξύ των δύο ομάδων. Εδώ είναι ένα σχετικά απλό κύτταρο που μπορεί να έχει τον μηχανισμό για να καταβροχθίζει βακτήρια, το πρώτο βήμα για τη δημιουργία μιτοχονδρίων. Το Loki έχει έναν αριθμό γονιδίων που βρίσκονται συνήθως σε ευκαρυώτες, συμπεριλαμβανομένων γονιδίων που συνδέονται με τον δυναμικό κυτταροσκελετό που αλλάζει σχήμα. Στους ευκαρυώτες, αυτά τα γονίδια επιτρέπουν στην κυτταρική μεμβράνη να αλλάξει σχήμα. Οι αμοιβάδες, για παράδειγμα, αλλάζουν σχήμα τόσο για να κινηθούν όσο και για να καταβροχθίσουν το θήραμα. «Πρόκειται για μια πολύ ειδική διαδικασία για τα ευκαρυωτικά, και για πρώτη φορά τα βρήκαμε σε έναν αρχαίο», είπε ο Ettema. "Αυτό ήταν πολύ συναρπαστικό."

"Μια αρχαία με αυτά τα χαρακτηριστικά, όπως ένας κυτταροσκελετός, κάνει σίγουρα το σενάριο [το πρώιμο μιτοχόνδριο] πιο εύγευστο από ό,τι ήταν πριν", είπε ο Koonin.

Αόρατο θέαμα

Η ανακάλυψη του Loki συνοδεύεται από μια σημαντική προειδοποίηση:Μέχρι στιγμής, κανείς δεν έχει δει ποτέ κάτι τέτοιο. Οι επιστήμονες δεν μπορούν ακόμη να τα καλλιεργήσουν στο εργαστήριο. Το μόνο που μπορούν να κάνουν είναι να απομονώσουν το DNA τους και να προσπαθήσουν να συμπεράνουν τι κάνει. «Πρέπει να είμαστε ξεκάθαροι, δεν ξέρουμε πώς μοιάζει», είπε ο Άρτσιμπαλντ. "Η βιολογία τους συνδυάζεται από γονιδιωματικά δεδομένα."

Στον κόσμο της μικροβιολογίας, αυτό δεν είναι ασυνήθιστο. Η συντριπτική πλειονότητα των μικροβίων δεν μπορούν να αναπτυχθούν κατόπιν ζήτησης, επομένως οι επιστήμονες τα μελετούν αναλύοντας και συγκρίνοντας το DNA τους. «Αυτό κάνουμε στη μικροβιολογία, κάνουμε προβλέψεις από γονιδιώματα», είπε ο Schleper. "[Οι Loki] έχουν σίγουρα κάτι πολύ ιδιαίτερο στις μεμβράνες τους."

Η ακριβής φύση αυτού του ειδικού κάτι είναι ακόμα ασαφής. Ο Archibald και άλλοι προειδοποιούν ότι αν και ο Loki έχει γονίδια που εμπλέκονται στην αναδιαμόρφωση της μεμβράνης σε άλλους οργανισμούς, κανείς δεν ξέρει με βεβαιότητα ότι εκτελούν την ίδια λειτουργία στο Loki. Ίσως κάνουν κάτι διαφορετικό σε αυτούς τους απλούστερους οργανισμούς και η αναδιαμόρφωση της μεμβράνης εξελίχθηκε αργότερα.

Ο Lane, για ένα, δεν είναι πεπεισμένος ότι ο Loki μπορεί να καταβροχθίσει άλλα μικρόβια - χωρίς μιτοχόνδριο, λέει, απλώς του λείπει η δύναμη. «Κοστίζει πολλή ενέργεια για να γίνεις μεγάλος, να μετακινηθείς και να καταβροχθίσεις και να αφομοιώσεις τα κύτταρα», είπε ο Λέιν. Στα σύγχρονα κύτταρα, αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει 1.000 γονίδια, όλα τα οποία κοστίζουν πολλή ενέργεια για να παραχθούν, είπε.

Ο Schleper και η Ettema εργάζονται σκληρά για την καλλιέργεια του Loki στο εργαστήριο, αλλά η καλλιέργεια του έχει αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολη. Τα αρχικά δείγματα ανασκάφηκαν από τη βαθιά θάλασσα, όπου το οξυγόνο είναι σπάνιο και ο μεταβολισμός των οργανισμών είναι εξαιρετικά αργός. Ορισμένες εκτιμήσεις προβλέπουν ότι τα πλάσματα που ζουν εκεί χωρίζονται μόνο μία φορά κάθε 10 χρόνια. Επιπλέον, αυτοί οι Loki που κατοικούν σε ιζήματα είναι προσαρμοσμένοι στο ακραίο περιβάλλον στον πυθμένα του ωκεανού, επομένως η οδήγησή τους στην επιφάνεια είναι πιθανό να καταδικαστεί σε θάνατο. Για να τους κάνετε να επιβιώσουν, "πρέπει να είστε πολύ προσεκτικοί και τυχεροί", είπε η Ettema.

Ευτυχώς, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο Loki κατοικεί επίσης σε λιγότερο εξωγήινα περιβάλλοντα και περιμένουν δείγματα από αυτές τις πηγές να αποδειχθούν ευκολότερα στην ανάπτυξη. Από την αρχική τους ανακάλυψη, ο Schleper και η Ettema ανακάλυψαν ότι οι Loki είναι πιο συνηθισμένοι από ό,τι περίμενε κανείς. Έκτοτε έχουν εντοπίσει νέες παραλλαγές σε διάφορα περιβάλλοντα:θερμές πηγές, ρηχά θαλάσσια ιζήματα, ποτάμια, ακόμη και τον μόνιμο παγετό. «Είναι σαν πασχαλινό αυγό», είπε η Έτεμα. "Δεν ξέρουμε τι θα βρούμε, αλλά κάθε νέο γονιδίωμα έχει κάτι μέσα του."

Μέρος της πρόκλησης για την εύρεση δειγμάτων Loki είναι ότι τείνουν να είναι λίγα σε αριθμό, μια σπάνια μορφή στα τοπικά μικροβιακά οικοσυστήματα. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί παρέμειναν απαρατήρητοι για τόσο καιρό. Επιπλέον, είπε ο Schleper, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την έρευνα της μικροβιακής ποικιλότητας δεν είναι κατάλληλες για την ανίχνευση αρχαίων γενικά.

Η Ettema είναι αισιόδοξη ότι θα καταλάβουν πώς να καλλιεργήσουν τον Loki στο εργαστήριο. Αλλά προειδοποιεί ότι η παρατήρηση του Loki ζωντανά μπορεί να μην επιλύσει ερωτήματα σχετικά με τις προγονικές του ικανότητες. Το σημερινό Λόκι μπορεί να είναι πολύ διαφορετικό από τις αρχαίες εκδοχές που προκάλεσαν τους ευκαρυώτες. Ακόμα κι αν οι σύγχρονοι Λόκι μπορούν να καταβροχθίσουν βακτήρια, αυτό δεν αποδεικνύει ότι το έκαναν οι αρχαίοι. Είχε 2 δισεκατομμύρια χρόνια για να εξελιχθεί — ένα χρονικό διάστημα που είδε την εμφάνιση ανθρώπων από μονοκύτταρους οργανισμούς. "Οι άνθρωποι υπερεκτιμούν λίγο αυτό που θα ξέρουμε από την καλλιέργεια του", είπε ο Ettema.

Ακόμα κι αν ο Loki δεν λύσει το μυστήριο της αρχαίας προέλευσής μας, η ανακάλυψή του δείχνει πόση βιολογική ποικιλότητα απομένει να ανακαλυφθεί. Ίσως η επόμενη ανακάλυψη να είναι ένας ευκαρυώτης χωρίς ιστορικό κατοχής μιτοχονδρίων. Ή ίσως θα είναι ένας αρχαιώνας με σημάδια ενός συμβιωτικού βακτηρίου που ζει μέσα. «Τονίζει πόση καινοτομία μπορούμε να βρούμε με την αλληλουχία των γονιδιωμάτων των οργανισμών που δεν μπορούν να αναπτυχθούν στο εργαστήριο», είπε ο Koonin. "Οι πιθανότητες είναι ότι θα ανακαλυφθούν περισσότερα, ανακαλύψεις που μπορεί να είναι δραματικές και κρίσιμες για την κατανόησή μας για τη βιολογία."