Poreklo života: Kako su mikrobi postavili temelj za složene ćelije

Ko su naši najraniji preci? Odgovor je možda u specijalnoj grupi jednoćelijskih organizama sa citoskeletom kao kod složenih organizama, poput životinja i biljaka.

Asgardske arheje su grupa mikroorganizama otkrivenih pre samo deset godina. Oni predstavljaju vezu između bakterija, arheja i složenih organizama poput biljaka i životinja.

Preporučujemo

Istraživači iz Tehnološkog instituta u Cirihu (ETHZ) izveli su detaljno ispitivanje jednog takvog mikroba, Lokiarchaeum ossiferum, i otkrili citoskeletne proteine veoma slične onima koji postoje u složenim organizmima.

Zbog toga se čini sve sigurnijim da su asgardske arheje preci ljudi, životinja i biljaka.

Pre 10 godina, niko nije znao da asgardske arheje postoje. Godine 2015, međutim, istraživači sedimenata u dubokom moru otkrili su genske fragmente koji su ukazivali na novi oblik mikroba.

Uz pomoć kompjutera, fragmenti su sklopljeni poput delova slagalice kako bi se sastavio čitav genom. Tek onda je shvaćeno da je u pitanju ranije nepoznata grupa arheja.

Poput bakterija, arheje su jednoćelijski organizmi. Genetski gledano, međutim, postoje značajne razlike između ta dva domena, naročito u pogledu ćelijskih omotača i metaboličkih procesa.

Nakon dalje potrage, mikrobiolozi su identifikovali odgovarajuće organizme, opisali ih i klasifikovali kao posebnu podgrupu arheja – asgardske arheje. Njihovo ime, po nebeskom kraljevstvu u nordijskoj mitologiji, odnosi se na mesto prvobitnog otkrića u blizini Lokijevog dvorca, hidrotermalnog izvora na Srednjoatlantskom grebenu između Norveške i Svalbarda.

Zapravo, asgardske arheje su bile skoro kao neki nebeski dar za istraživanje: ispostavilo se da su karika koja nedostaje između arheja i eukariota – tj. između arheja i organizama čije ćelije sadrže jedro, kao što su biljke i životinje.

Drvo života sa granom manje

Istraživači pronalaze sve više svedočanstava o bliskim vezama između asgardskih arheja i eukariota, kao i da su eukariote možda evoluirale iz asgardskih arheja. Podela svih živih organizama na tri domena – bakterije, arheje i eukariote – ne odgovara ovom iznenađujućem otkriću.

Neki istraživači predlažu da se eukariote posmatraju kao grupa asgardskih arheja – to bi smanjilo broj domena života sa tri na dva: arheje, uključujući eukariote, i bakterije.

Profesor Martin Pilhofer i kolege iz Tehnološkog instituta u Cirihu fascinirani su asgardskim arhejama i proučavaju te misteriozne mikrobe nekoliko godina.

U studiji objavljenoj pre dve godine, istraživali su detalje ćelijske strukture i arhitekture Lokiarchaeum ossiferum. Iz sedimenata u kanalu braktične vode u Sloveniji, ovu asgardsku arheju su izolovali istraživači sa Bečkog univerziteta.

Pilhofer i saradnici su pokazali da Lokiarchaeum ossiferum ima izvesne strukture koje su tipične i za eukariote. Pronađen je aktinski protein koji veoma liči na protein u eukariotama – i pojavljuje se u gotovo svim otkrivenim asgardskim arhejama.

Istraživači su kombinovali različite mikroskopske tehnike kako bi pokazali da taj protein, nazvan lokiaktin, formira filamentozne strukture, naročito u brojnim izraslinama nalik pipcima. Izgleda kao da formiraju skelet za složenu ćelijsku arhitekturu asgardskih arheja, kažu istraživači.

Osim aktinskih filamenata, eukariote takođe imaju mikrotubule. Ove cevaste strukture su druga ključna komponenta citoskeleta i sastavljene su od brojnih tubulinskih proteina. Ove malene cevi su važne za transportne procese unutar ćelije i odvajanje hromozoma tokom ćelijske deobe.

Poreklo mikrotubula nije bilo jasno – do sada. U novoj studiji, istraživači su otkrili srodne strukture u asgardskim arhejama. Eksperimenti pokazuju da asgardski tubulini formiraju vrlo slične mikrotubule, mada sitnije od onih u eukariotskim rođacima.

Međutim, samo nekoliko Lokiarchaeum ćelija formira te mikrotubule. I za razliku od aktina, ovi tubulinski proteini se javljaju samo kod vrlo malo vrsta asgardskih arheja.

Naučnici još ne znaju zašto se tubulini tako retko javljaju kod Lokiarchaea, ili zašto su potrebni ćelijama. Kod eukariota, mikrotubule su odgovorne za transportne procese u ćeliji. U nekim slučajevima, motorni proteini idu uz te cevi. Takvi motorni proteini nisu viđeni u asgardskim arhejama.

„Pokazali smo, međutim, da cevi formirane od tih tubulina rastu na jednom kraju. Stoga mislimo da imaju slične transportne funkcije kao mikrotubule kod eukariota“, kažu istraživači.

Da li je citoskelet bio suštinski važan za razvoj složenog života? Iako neka pitanja ostaju bez odgovora, istraživači smatraju da je citoskelet bio važan korak u evoluciji eukariota.

Ovaj korak se mogao desiti pre više eona, kad je neka asgardska arheja obuhvatila neku bakteriju svojim izraslinama. Tokom evolucije, ta bakterija se razvila u mitohondriju, koja služi kao izvor energije u modernim ćelijama. Vremenom su evoluirali jedro i drugi delovi – i nastala je eukariotska ćelija.

„Ovaj izuzetni citoskelet je verovatno bio na početku tog razvoja. Možda je omogućio asgardskim arhejama da formiraju ekstremitete, tako da su mogle da stupe u interakciju sa bakterijom i obuhvate je“, kaže Pilhofer.

Lov na asgardske arheje

Istraživači sad planiraju da posvete pažnju funkciji aktinskih filamenata i tubulinu arheja, uz rezultirajuće mikrotubule.

Takođe žele da identifikuju proteine koji su otkriveni na površini ovih mikroba. Pilhofer se nada da će uspeti da razviju antitela precizno za ove proteine. To bi omogućilo istraživačima da „ulove“ baš asgardske arheje u mešanim mikrobnim kulturama.

Ima još mnogo pitanja bez odgovora o asgardskim arhejama, naročito u pogledu njihove veze sa eukariotama i njihove neobične ćelijske biologije. Otkrivanje tajni ovih mikroba je fascinantno, kaže Pilhofer. Bez interdisciplinarne saradnje između stručnjaka u oblastima mikrobiologije, biohemije, ćelijske biologije i strukturne biologije napredak ne bi bio moguć.

(Telegraf Nauka/ETHZ)