Еукариоти: прича о њиховом археолошком пореклу

Традиционално груписање животних форми у прокариоте и еукариоте ревидирано је 1977. године када је карактеризација секвенце рРНА открила да су археје (тада назване 'архебактерије') „једнако удаљене са бактеријама као што су бактерије и еукариоте.“ Ово је захтевало груписање живих организама. у еубактерије (садрже све типичне бактерије), археје и еукариоте. Остало је питање порекла еукариота. Временом су почели да се прикупљају докази у корист археалног порекла еукариота. Од посебног интереса је био налаз да Асгардске археје имају неколико стотина гена за протеине са потписом еукариота (ЕСП) у свом геному. ЕСП играју кључну улогу у развоју цитоскелета и карактеристика сложених ћелијских структура еукариота. У револуционарној студији објављеној 21. децембра 2022., истраживачи су пријавили успешну култивацију обогаћене културе неухватљивих Асгардских археја коју су снимили помоћу криоелектронске томографије. Они су приметили да ћелије Асгарда заиста имају сложен цитоскелет заснован на актину. Ово је био први директни визуелни доказ археалног порекла еукариота, значајан корак у разумевању порекла еукариота.  

До 1977. године, облици живота на Земљи били су груписани у еукариоти (сложене форме које карактерише укључивање генетског материјала ћелије у добро дефинисано језгро и присуство цитоскелета) и прокариоти (једноставнији облици живота са генетским материјалом у цитоплазми без одређеног језгра, укључујући бактерије и архебактерије). Сматрало се да ћелијски еукариоти еволуирао пре око 2 милијарде година, вероватно од прокариота. Али, како су тачно настали еукариоти? Како су сложени ћелијски облици живота повезани са једноставнијим ћелијским облицима живота? Ово је било велико отворено питање у биологији.  

Технолошки напредак у молекуларној биологији гена и протеина помогао је да се уђе у срж проблема када је 1977. откривено да су археје (тада су се звале 'архебактерије') ''једнако далеко сродне бактеријама као што су бактерије еукариоти'.Ранија дистинкција животних облика на прокариоте и еукариоте била је заснована на фенотипским разликама на нивоу ћелијских органела. Уместо тога, филогенетски однос би требало да се заснива на широко распрострањеном молекулу. Рибосомална РНК (рРНА) је један такав биомолекул који је присутан у свим системима који се самореплицирају и чије се секвенце врло мало мењају током времена. Анализа заснована на карактеризацији рРНА секвенце захтевала је груписање живих организама у еубактерије (које садрже све типичне бактерије), арцхаеаи еукариоти¹.  

Након тога, почињу да се појављују докази о ближој вези између археја и еукариота. Године 1983. откривено је да ДНК зависне РНК полимеразе археја и еукариоти су истог типа; оба показују запањујуће слична имунохемијска својства и оба су изведена из заједничке структуре предака². На основу претпостављеног композитног филогенетског стабла протеинског пара, друга студија објављена 1989. открила је ближу везу археја са еукариотима него са еубактеријама³. До овог времена, археолошко порекло од еукариоти је установљено, али је преостало да се идентификују и проуче тачне археалне врсте.  

Раст геномских студија након успеха у пројекат генома, пружио је преко потребну попуну овој области. Између 2015-2020, неколико студија је открило да је Асгард арцхаеа носе специфичне гене за еукариоте. Њихови геноми су обогаћени протеинима који се сматрају специфичним за еукариоте. Ове студије су јасно идентификовале да Асгардске археје имају најближу генетску близину еукариоту на основу присуства стотина гена еукариотских сигнатурних протеина (ЕСП) у њиховом геному.  

Следећи корак је био да се физички визуализује унутрашња подрумска структура Асгардске археје како би се потврдила улога ЕСП-а, јер се широко сматра да ЕСП-ови играју кључну улогу у формирању сложених ћелијских структура. За ово су биле потребне високо обогаћене културе ове археје, али је познато да је Асгард неухватљив и мистериозан. изазивајући потешкоће у култивацији у довољно великој количини да их се проучава у лабораторији. Према студији објављеној недавно 21. децембра 2022, ова потешкоћа је сада превазиђена.  

Истраживачи су, након шест година напорног рада, импровизовали технике и успешно култивисали у лабораторији, високо обогаћену културу 'Цандидатус Локиарцхаеум оссиферум', припадник Асгардске врсте. Ово је било изузетно достигнуће, такође зато што је омогућило истраживачима да визуелизују и проучавају унутрашње ћелијске структуре Асгарда.    

Криоелектронска томографија је коришћена за снимање културе обогаћивања. Асгардске ћелије су имале тела кокоидних ћелија и мрежу разгранатих избочина. Структура површине ћелије је била сложена. Цитоскелет се простире кроз ћелијска тела. Уврнути дволанчани филаменти садрже Локиактин (тј. хомологе актина које кодира Локиарцхаеота). Тако су ћелије Асгарда имале сложен цитоскелет заснован на актину, за који истраживачи предлажу, пре еволуције првог еукариоти.  

Као први конкретан физички/визуелни доказ археалног порекла еукариота, ово је изузетан напредак у биологији.

*** 

Референце:  

1. Воесе ЦР и Фок ГЕ, 1977. Филогенетска структура прокариотског домена: Примарна краљевства. Објављено новембра 1977. ПНАС. 74 (11) 5088-5090. ДОИ: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. Хует, Ј., сар 1983. Архебактерије и еукариоти поседују ДНК зависне РНК полимеразе уобичајеног типа. ЕМБО Ј. 2, 1291–1294 (1983). ДОИ: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. Ивабе, Н., сар 1989. Еволуциони однос архебактерија, еубактерија и еукариота на основу филогенетских стабала дуплицираних гена. Проц. Натл Ацад. Сци. УСА 86, 9355–9359. ДОИ: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. Родригуес-Оливеира, Т., сар. 2022. Актински цитоскелет и сложена ћелијска архитектура у Асгардском археону. Објављено: 21. децембра 2022. Природа (2022). ДОИ: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***