Ученые культивировали неуловимых глубоководных микробов, наиболее близких к сложным формам жизни

В рамках поворотного для эволюционной микробиологии достижения исследователи из Японии успешно выделили и культивировали два живых штамма Heimdallarchaeia — глубоководных микроорганизмов, признанных ближайшими известными прокариотическими родственниками всех сложных форм жизни на Земле. Этот успех, достигнутый под руководством ученых Hiroyuki Imachi и Masaru K. Nobu из Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology совместно с Satoshi Nakagawa из Kyoto University, впервые предоставляет ученым возможность исследовать эти хрупкие организмы непосредственно в контролируемых лабораторных условиях, а не опираться исключительно на фрагментарные генетические последовательности, извлеченные со дна океана.

## Key facts

- Морские микробиологи под руководством Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu и Satoshi Nakagawa успешно выделили и культивировали два штамма, относящихся к классу Heimdallarchaeia. - Исследовательская группа представляет собой партнерство между Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) и Kyoto University. - Heimdallarchaeia принадлежат к суперфилуму Asgard archaea — древней линии одноклеточных организмов, которая, согласно геномным данным, дала начало эукариотам. - К эукариотам относятся все организмы, обладающие мембранными клеточными ядрами, включая всех животных, растения, грибы и протистов. - Культивирование этих организмов сопряжено с преодолением серьезных биологических барьеров, поскольку Asgard archaea часто делятся лишь раз в несколько недель и требуют строго анаэробных, синтрофных условий роста.

## What happened

Как сообщает phys.org, научный консорциум во главе с Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) и Kyoto University осуществил длительное лабораторное культивирование и изоляцию двух отдельных штаммов Heimdallarchaeia. До этой работы Heimdallarchaeia обнаруживались почти исключительно с помощью секвенирования ДНК окружающей среды — метода, известного как метагеномика, — в результате чего у ученых не было живых физических образцов для наблюдения за клеточным поведением, метаболической активностью и физическими структурами.

Культивирование организмов из глубоководных морских отложений сопряжено с исключительными экспериментальными трудностями. Многие из этих глубоко ответвленных архей существуют в экстремальных условиях дефицита энергии глубоко под морским дном. В таких местах обитания микробным клеткам требуются недели или месяцы для одного деления, в то время как обычные лабораторные бактерии, такие как Escherichia coli, удваиваются примерно за двадцать минут. Их культивирование требует воссоздания точных химических, термических и биологических условий, нередко требуя присутствия микробов-спутников — так называемых синтрофных партнеров, которые поглощают побочные продукты метаболизма, такие как водород или формиат, делая термодинамические реакции возможными.

Исследование, возглавляемое Imachi, Nobu и Nakagawa, опиралось на многолетние методические протоколы культивирования, разработанные для адаптации медленнорастущих морских организмов к стабильным биореакторным системам. Успешно переведя штаммы Heimdallarchaeia в жизнеспособные лабораторные культуры, исследователи получили физические клеточные линии, которые можно напрямую подвергать электронной микроскопии высокого разрешения, метаболомному профилированию, биохимическому анализу и контролируемым экспериментальным манипуляциям.

## Why it matters

Переход от простых одноклеточных микробов, лишенных внутренних компартментов, к сложным эукариотическим клеткам, содержащим ядра, органеллы и эндомембранные системы, представляет собой одно из самых значительных эволюционных событий в 4.5-миллиардной истории Земли. Каждый многоклеточный организм, когда-либо существовавший на планете — от секвойи до синего кита и человека, — является эукариотом. Несмотря на десятилетия интенсивных исследований, механистическая последовательность событий, породившая предковую эукариотическую клетку (процесс, называемый эукариогенезом), оставалась одной из величайших нерешенных загадок биологии.

Успешное выделение живых Heimdallarchaeia обеспечивает экспериментальную базу, необходимую для проверки давно обсуждаемых гипотез об этом переходе. Хотя геномный анализ показал, что Asgard archaea обладают эукариотическими сигнатурными белками — генами, которые ранее считались присущими исключительно сложным клеткам, включая гены, отвечающие за перестройку мембран, деградацию белков на основе убиквитина и цитоскелетные актиновые сети, — ученые могли лишь строить догадки о том, какую роль эти белки фактически играли внутри архея. Наблюдение за живыми Heimdallarchaeia позволяет клеточным биологам увидеть, образуют ли эти микробы сложные мембранные выступы, формируют ли примитивные системы везикулярного транспорта или физически поглощают другие микроорганизмы.

Кроме того, наличие культивированных штаммов позволяет ученым разрешить метаболические споры о том, как изначально сформировалось партнерство между хозяином-археем и бактериальным предком митохондрий. Понимание того, потребляют ли эти организмы кислород, метаболизируют ли водород или зависят от органических соединений углерода, проясняет условия окружающей среды, преобладавшие в момент разделения эукариотической линии около двух миллиардов лет назад. Для фармацевтической и биотехнологической отраслей новые ферменты, полученные от этих древних архей из экстремальных условий, также могут предоставить устойчивые биокатализаторы, способные функционировать в необычных физиологических и промышленных средах.

## The background

На протяжении десятилетий биологические учебники делили всю земную жизнь на три основных домена — систему, предложенную микробиологом Carl Woese в 1977 году на основе сравнения рибосомной РНК: Bacteria, Archaea и Eucarya (позднее названные Eukaryota). В трехдоменной парадигме Woese Archaea и Eukaryota имели общего предка, исключая Bacteria, но представляли собой параллельные эволюционные стволы, разошедшиеся миллиарды лет назад.

Этот консенсус начал стремительно меняться в 2015 году, когда международная исследовательская группа обнаружила геномные последовательности новой археи в образцах осадочных пород, взятых вблизи Loki's Castle — поля гидротермальных источников, расположенного на Arctic Mid-Ocean Ridge между Гренландией и Норвегией. Названный Lokiarchaeota, этот микроб содержал беспрецедентное количество генов, близкородственных генам эукариот. Последующее секвенирование окружающей среды в прибрежных илах, термальных источниках и глубоководных океанических желобах выявило родственные линии, коллективно названные суперфилумом Asgard в честь божеств скандинавской мифологии: Thorarchaeota, Odinarchaeota и Heimdallarchaeia.

Филогенетические реконструкции все чаще демонстрировали, что эукариоты не образуют независимый третий домен жизни, а гнездятся непосредственно внутри суперфилума Asgard — структурная модель, известная как двухдоменное древо. Среди групп Asgard именно Heimdallarchaeia неизменно оказывались в нескольких строгих вычислительных анализах ветвью, наиболее близкородственной эукариотической линии.

Несмотря на шквал геномных открытий, Asgard archaea оставались биологическими призраками, поскольку ни один из них не был визуализирован или выращен в чистой культуре. Ситуация изменилась в 2019 и 2020 годах, когда группа под руководством Imachi и Nobu опубликовала эпохальную статью, документирующую культивирование первого представителя Asgard archaeon — Prometheoarchaeum syntrophicum, выделенного из осадочных пород глубоководных метановых сипов у побережья Японии в Nankai Trough. Этот проект по культивированию потребовал более двенадцати лет кропотливой лабораторной работы с использованием специализированного проточного биореактора с непрерывной подачей метана. Было обнаружено, что Prometheoarchaeum, принадлежащий к Lokiarchaeota, полагается на симбиотического партнера для потребления водорода и обладает уникальными ветвящимися клеточными щупальцами, которые, возможно, помогали предковым археям физически захватывать бактериального предшественника митохондрии. Однако, поскольку филогенетические деревья указывали на то, что Heimdallarchaeia могут находиться еще ближе к эукариотам, чем Lokiarchaeota, культивирование представителей Heimdallarchaeia оставалось главной целью для исследователей происхождения клеток.

## Reaction

Ожидается, что широкое научное сообщество, особенно в области эволюционной биологии, филогенетической систематики и микробиологии глубоких недр, воспримет культивирование Heimdallarchaeia как этапное достижение, сопоставимое по значимости с культивированием Prometheoarchaeum syntrophicum в 2019 году. Официальная экспертная оценка и сравнительный анализ ожидаются на крупнейших международных научных конференциях и в академических журналах, посвященных микробной эволюции и клеточной биологии.

Эволюционные теоретики, спорившие о конкурирующих сценариях эукариогенеза — таких как модель «ранних митохондрий» против гипотезы «фаготрофного архея», — обратятся к морфологическим и метаболическим данным этих культур для подтверждения или опровержения своих концепций. Ожидается, что академические институты, специализирующиеся на исследовании глубокой биосферы, включая морские исследовательские центры в Европе, Северной Америке и Восточной Азии, изучат параметры культивирования, примененные консорциумом JAMSTEC-Kyoto, чтобы попытаться воспроизвести их и адаптировать аналогичные протоколы для других некультивируемых морских линий.

## What we don't know yet

Хотя изоляция двух штаммов знаменует собой крупный экспериментальный прорыв, существенные аспекты клеточного аппарата организмов и их эволюционное значение остаются не полностью раскрытыми в исходном сообщении. Полное фенотипическое описание — включая подробные снимки клеточной оболочки, внутренней компартментализации и мембранных структур, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии, — требует масштабных публикаций и сравнительной верификации.

Кроме того, конкретные потребности роста, скорость удвоения и полные метаболические входящие и исходящие параметры для этих двух конкретных штаммов Heimdallarchaeia пока не были подробно представлены в общедоступных отчетах. Предстоит выяснить, требуют ли эти штаммы облигатного синтрофного партнерства с сульфатредуцирующими бактериями или метаногенами, как это было у Prometheoarchaeum, или же они обладают автономными метаболическими путями. Самое главное — пока не установлено, демонстрируют ли эти живые клетки эукариотоподобный эндоцитоз, почкование везикул или подвижность за счет цитоскелета, то есть ключевые свойства, которые, как предполагается, обеспечили ранний эукариогенез.

## What to watch

Непосредственное внимание теперь переключится на предстоящие рецензируемые научные статьи и дополнительные наборы данных, подробно описывающие всестороннюю физическую, метаболическую и геномную характеристику двух культивированных штаммов. Читателям и ученым следует ожидать структурных исследований с использованием криоэлектронной томографии, которые позволят выявить внутреннюю архитектуру организмов с околоатомным разрешением без артефактов, вызванных химической фиксацией.

Еще одним ключевым индикатором научного влияния станет способность других международных лабораторий независимо воспроизвести условия культивирования или получить жизнеспособные исходные культуры от JAMSTEC и Kyoto University для проведения параллельных исследований. Наблюдателям также стоит следить за предстоящими международными симпозиумами по эволюционной биологии и заседаниями International Society for Evolutionary Protistology, где будут представлены сравнительные филогенетические анализы с учетом этих живых изолятов для разрешения продолжающихся споров о точной топологии ветвления двухдоменного древа жизни.

Материал подготовлен на основе оригинальной информации, опубликованной phys.org.