Древние микробы раскрывают новую подсказку о том, как зародилась сложная жизнь

Фото из открытых источников

Ученые засняли на видео древних родственников сложных клеток, ползающих по поверхностям, что позволило понять, как могло развиться движение миллиарды лет назад. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Белая кровяная клетка, преследующая микроб, не плавает. Она ползает, вытягивая часть своего тела, цепляясь за поверхность и увлекая за собой остальную часть. Теперь исследователи сняли на видео археи Асгарда — крошечные микробы, которые считаются ближайшими родственниками сложных клеток, — делающие то же самое.

Клетки архей за считанные минуты меняли свою форму, отращивали и втягивали длинные тонкие отростки, используя их для передвижения по стеклу. Амебы передвигаются тем же способом, тогда как бактерии и их микробные родственники в основном плавают, вращая хвосты, или передвигаются, используя липкие нити.

Это открытие позволяет предположить, что ползание могло развиться задолго до появления сложных форм жизни.

Филипп Радлер руководил исследованием в лаборатории Кристы Шлепер в Венском университете, работая с международной группой исследователей. Исследовательская группа наблюдала за двумя живыми видами микроорганизмов на лабораторном стекле, а не за самим древним микробом.

Большая часть знаний ученых об археях Асгарда получена путем анализа их ДНК. Лишь немногие из них когда-либо выращивались в лабораторных условиях. Эта ДНК содержит инструкции для белков, давно связанных со сложными клетками, что помогает объяснить место этой группы на древе жизни.

Одним из таких белков является актин. В наших собственных клетках актин образует гибкий внутренний каркас, который позволяет клетке менять форму и двигаться. Изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, показали круглое тело с тонкими отростками, торчащими наружу, но статичное изображение не может показать движение.

Эти микробы размножаются без кислорода, поэтому команда исследователей поместила их в тонкие стеклянные камеры, заполненные азотом и углекислым газом. В течение экспериментов продолжительностью до шести часов газ постоянно подавался в камеру, температура в которой поддерживалась на уровне около 22°C.

Клетки перестраивались в течение нескольких минут. Основной вид, Lokiarchaeum ossiferum, имеет тело диаметром около 1 микрометра. Типичная клетка имела пять рукавов, хотя у некоторых был один, а у других — десять. Самые длинные рукава достигали 15 микрометров, что примерно соответствовало 14 ширинам тела.

Ничто не стояло на месте. Щупальца росли со скоростью около 1,5 микрометра в минуту, разветвлялись и отступали назад, одни медленно, другие со скоростью около 11 микрометров в минуту.

Для деления этому микробу требуется около недели, но он восстановил свою форму за несколько минут. Общая длина клеточных «рук» оставалась примерно одинаковой, несмотря на их перестройку, и клетки с большим количеством «рук», как правило, имели более короткие «рук».

Исследователи предполагают, что клетки перераспределяют свою существующую внешнюю мембрану между ответвлениями, а не постоянно производят новую. Некоторые клетки также полностью изменили свое строение, перейдя от палочкообразной формы к шарообразной.

Примерно половина клеток, прилипших к стеклу, также перемещали свои тела с одного места на другое. Большинство двигались случайным образом, и только 6 из 117 отслеживаемых клеток продолжали двигаться в одном направлении.

Некоторые клетки закрепляли кончик передней щупальцы, и по мере укорочения щупальца тело следовало за ним, иногда совершая внезапный скачок. Другие плавно скользили позади единственного ведущего щупальца.

Команда не обнаружила практически никаких признаков того, что клетки наступали сзади. Их типичная скорость составляла около 1,6 микрометра в минуту. При такой скорости клетке, движущейся по прямой линии, потребовалось бы около 11 дней, чтобы преодолеть 2,5 сантиметра.

Это согласуется с движением сложных клеток, таких как амеба, которые перемещаются со скоростью от 0,1 до 20 микрометров в минуту. Плавающие микробы движутся гораздо быстрее. Единственный другой известный способ передвижения по поверхности у архей основан на использовании тонких нитей, расположенных снаружи клетки. Эти клетки же использовали вместо этого свои собственные «щупальца».

Когда команда покрыла стекло липким составом, движения рук и ползание замедлились, что свидетельствует о взаимосвязи этих двух явлений.

Чтобы проверить, действительно ли актин управляет движением, команда попробовала препараты, блокирующие актин в сложных клетках. Некоторые из них практически ничего не изменили. Три уменьшили количество клеток, удерживающихся на стекле «руками».

Исследовательская группа сосредоточила внимание на токсине под названием свинхолид А, который действовал в дозах, находящихся в диапазоне, используемом для воздействия на сложные клетки.

При концентрации 50 нанограммов на миллилитр образование новых отростков прекращалось, рост существующих — останавливался, а движение клеток прекращалось. Некоторые оставшиеся конечности потеряли внутреннюю опору, согнулись и начали беспорядочно покачиваться в воде.

Команда также выделила белки, которые прикрепляются к актину микроба. Несколько из них принадлежат к семействам, известным в сложных клетках тем, что они образуют актиновые нити и разрывают их.

Второй вид, Margulisarchaeum peptidophilum, выращенный группой JAMSTEC, вел себя аналогичным образом. Его конечности росли примерно в три раза быстрее, чем у первого вида, со скоростью 4,8 микрометра в минуту, а тело двигалось примерно в два раза быстрее.

Свинхолид А также остановил этот процесс, прекратив рост отростков и уменьшив долю клеток, которые двигались. Актин и контролирующие его белки также обнаруживаются почти в каждом геноме асгардов, секвенированном на данный момент. По мнению авторов, это говорит о том, что общий предок этой группы уже обладал ими.

Исследователи считают, что первые сложные клетки образовались около 2 миллиардов лет назад, когда микроб из асгардской расы объединился с бактерией, которая в итоге поселилась внутри него. Эта бактерия стала предком митохондрий, которые вырабатывают энергию внутри наших клеток.

Оба вида, исследованные в данной работе, существуют и сегодня и, вероятно, отличаются от своего древнего предка.

Авторы предполагают, что предок мог использовать свои конечности, чтобы приблизиться к партнёру, прикрепиться к нему и в конечном итоге обвиться вокруг него. Они рассматривают это как возможное объяснение, а не как конечный результат.

Команде также пришлось полагаться на препараты, разработанные для воздействия на актин сложных клеток, поскольку генетических инструментов для борьбы с этими микробами пока нет. А клетки ползали по стеклу, в то время как в природе археи Асгарда обитают в крошечных пространствах в иле морского дна.

Ученые до сих пор точно не знают, как эти микробы контролируют свои движения, но это открытие дает удивительную возможность заглянуть в далекое прошлое. Способность ползать, менять форму и дотягиваться до других клеток, возможно, существовала задолго до появления животных, растений или грибов. Эти древние движения могли помочь заложить основу для самой сложной жизни.