Микробный предок сложной жизни оказался более сложным организмом, чем считалось 

Фото из открытых источников

Молекулярные строительные блоки, из которых состоят клетки человека, животных и растений, оказались гораздо старше, чем предполагали ученые ранее. Они уже присутствовали у нашего одноклеточного предка, жившего 2,5 миллиарда лет назад. К такому выводу пришли исследователи из Вагенингена и США в двух исследованиях, опубликованных в журналах Nature и Nature Microbiology.

Наш одноклеточный предок жил в мире без растений, животных и богатых кислородом океанов. И всё же этот, казалось бы, простой микроорганизм сделал первые шаги к сложной жизни. От этого предка произошла вся многоклеточная (сложная) жизнь, какой мы её знаем сегодня: от дрожжей до голубых китов, которых в совокупности называют эукариотами. Эти организмы построены из клеток, содержащих специализированные структуры, такие как ядро и другие специализированные структуры, каждая из которых выполняет свои отдельные функции. Долгое время учёные предполагали, что сам одноклеточный предок был относительно простым: примитивной клеткой, похожей на бактерию, далекой от сложности человеческих клеток. Новое исследование рисует другую картину. Наш микробный предок, возможно, уже обладал удивительно обширным молекулярным набором инструментов. 

Поскольку никто не может вернуться в то время, когда жил наш микробный предок, исследователям пришлось применить другой подход. Тейс Эттема, профессор микробиологии Вагенингенского университета и соавтор обеих публикаций, объясняет: «Мы изучаем две группы организмов, произошедших от одного общего предка». С одной стороны — эукариоты, включая человека, животных и грибы. С другой — археи Асгарда: одноклеточные микроорганизмы, обнаруженные всего десять лет назад в глубоководных отложениях. Поскольку обе линии имеют общее происхождение, археи Асгарда и человек могут считаться дальними эволюционными родственниками. Таким образом, мы, скорее всего, унаследовали общую генетическую информацию от нашего одноклеточного общего предка.

Исследователи собрали генетический материал более чем четырехсот различных архей Асгарда из Бохайского моря в Китае и Калифорнийского залива и изучили их генетическую информацию. На основе одних только последовательностей ДНК сходство с эукариотами оказалось ограниченным. Это неудивительно: обе группы прошли примерно два миллиарда лет эволюции, в течение которых их ДНК постепенно изменялась. Поэтому исследователи переключили свое внимание с ДНК на белки — молекулярные машины, закодированные в ДНК, которые выполняют работу внутри клеток. «В частности, мы сосредоточились на структуре белков», — говорит Эттема. «Наш микробный предок обладал более обширным набором инструментов для развития эукариот, чем мы предполагали ранее».

Каждый белок сворачивается в специфическую трехмерную структуру; эта форма определяет его функцию. Такие белковые структуры, как правило, изменяются в процессе эволюции гораздо медленнее, чем последовательности ДНК. Используя инструменты искусственного интеллекта, такие как AlphaFold, исследователи предсказали трехмерные структуры более чем 35 тысяч белков архей Asgard и сравнили их с белками, обнаруженными в эукариотах. Результат? Археи Asgard содержат около 1300 белков, которые ранее считались существующими исключительно в эукариотах. Это белки, участвующие в таких процессах, как внутриклеточный транспорт и хранение, а также в формировании клеточных компартментов — отличительных черт сложных клеток у человека и других эукариотов. Поскольку эти белки встречаются в обеих эволюционных линиях, они, скорее всего, были унаследованы от общего предка. «Это означает, что наш микробный предок обладал более обширным набором инструментов эукариот, чем мы предполагали ранее», — говорит Эттема.

Теперь это осторожно подтверждается наблюдениями под микроскопом. Как объясняет Эттема, культивирование архей Asgard в лабораторных условиях остается сложной задачей: в природе они обитают в средах с низким содержанием кислорода, растут крайне медленно и иногда для одного деления требуются недели. Тем не менее, исследователям все чаще удается выращивать их в контролируемых условиях. Микроскопические исследования показывают, что некоторые виды демонстрируют неожиданные структурные особенности, включая щупальцеобразные выступы, используемые для передвижения, а также внутренние везикулы и мембраны, напоминающие компартменты, обнаруженные в эукариотических клетках.

Ситуация меняется и в другом отношении. До недавнего времени археи Asgard обнаруживались только в бескислородных средах, таких как глубоководные отложения. Однако в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые выявили археи Asgard, обитающие в богатых кислородом средах, с генами в их ДНК, участвующими в переработке кислорода. «Эти микробы адаптировались к жизни в условиях повышенного содержания кислорода», — говорит Эттема. Для самых ранних организмов на Земле кислород был токсичен. «Некоторые археи Asgard, возможно, даже способны дышать кислородом для выработки энергии».

Однако остается неясным, была ли эта способность унаследована от общего предка или приобретена независимо за последние два миллиарда лет. Эукариоты используют другой механизм для производства энергии с помощью кислорода: митохондрии. Эти «энергетические станции» клетки произошли от некогда свободноживущих бактерий и содержат собственную ДНК, включая гены, участвующие в дыхании.

Вскоре после того, как Эттема и его коллеги десять лет назад открыли архей Асгарда, они уже заметили сходство с эукариотами. Однако на тот момент доказательства были ограничены. «У нас была генетическая информация только об одной архее Асгарда», — говорит Эттема. «Мы идентифицировали гены, которые несколько напоминали гены более сложных форм жизни, таких как люди, животные и растения, но сходство не было чрезвычайно убедительным». Проще говоря: существовала большая неопределенность. Быстрый технологический прогресс в секвенировании ДНК и прогнозировании структуры белков с помощью ИИ за последнее десятилетие позволил проводить гораздо более всесторонний анализ. Эттема и его коллеги воспользовались этой возможностью, подтвердив интуицию, которая у них возникла десять лет назад.

Как именно выглядел наш одноклеточный предок и выполняли ли древние белки ту же функцию у нашего одноклеточного предка, что и у эукариотов, остается открытым вопросом на данный момент. Но, похоже, нельзя отрицать, что этот далекий предок уже обладал потенциалом для развития в сложные клетки, из которых состоят наши тела.

Лаборатория микробиологии под руководством Тейса Эттема занимается исследованиями и образованием, сосредоточенными на фундаментальных и прикладных аспектах разнообразия, физиологии, экологии и эволюции микроорганизмов и их вирусов.

Жизнь одинаково удивительна и поразительна в своей сложности. В то время как живые организмы могут занимать многие метры, жизнь возникает в миллиарды раз меньшем масштабе нанометров, где молекулы жизни координируют свои сложные и жизненно важные функции. Передовые междисциплинарные подходы на стыке биологии, химии и физики необходимы для изучения жизни на разных уровнях. В кластере биомолекулярных наук мы сосредоточены на расширении фундаментального понимания человечеством разнообразных процессов жизни и распространении необходимых знаний для более светлого и устойчивого будущего.