Zrozumienie, w jaki sposób złożone komórki eukariotyczne wyłoniły się z prokariotycznych przodków, stanowi duże wyzwanie w biologii. Główny punkt sporny w udoskonalaniu scenariuszy eukariogenezy dotyczy dokładnego związku między Archaea a eukariontami. W nowych badaniach naukowcy z University of Texas w Austin i innych miejsc wygenerowali 63 nowe genomy archeonów Asgard z próbek pobranych z 11 lokalizacji na całym świecie. Analizując powiększone próbki genomowe archeonów z Asgardu przy użyciu najnowocześniejszych analiz, mocno umieszczają eukarionty jako klad zagnieżdżony w archeonach Asgardu, podobnie jak ptaki są jedną z kilku grup w większej grupie zwanej dinozaurami, dzieląc wspólny przodek. Ujawniając kluczowe cechy dotyczące tożsamości, natury i fizjologii ostatniego wspólnego przodka archeonów Asgardu i eukariontów, ich wyniki stanowią ważne, jak dotąd brakujące elementy układanki eukariogenezy.

Archeon Asgardu. Pasek skali – 500 nm. Źródło obrazu: Imachi i indoi: 10.1038/s41586-019-1916-6.

„Żadnych skamielin eukariontów nie znaleziono sprzed ponad 2 miliardów lat, co sugeruje, że wcześniej istniały tylko różne typy drobnoustrojów” – powiedział współautor, dr Brett Baker, badacz z Wydziału Biologii Integracyjnej w na Uniwersytecie Teksasu w Austin.

„Więc jakie wydarzenia doprowadziły drobnoustroje do ewolucji w eukarionty? To duże pytanie. Posiadanie tego wspólnego przodka to duży krok w zrozumieniu tego”.

W swoich badaniach dr Baker i jego współpracownicy zidentyfikowali drobnoustroje najbliższe wszystkim złożonym formom życia na drzewie życia jako nowo opisany rząd zwany Hodarchaeales.

Hodarchaeales, znalezione w osadach morskich, są jedną z kilku podgrup w ramach większej grupy archeonów Asgardu.

Archeony z Asgardu wyewoluowały ponad 2 miliardy lat temu, a ich potomkowie wciąż żyją.

Niektóre odkryto w osadach głębinowych i gorących źródłach na całym świecie, ale jak dotąd tylko dwa szczepy zostały pomyślnie wyhodowane w laboratorium.

Aby je zidentyfikować, naukowcy zbierają ich materiał genetyczny ze środowiska, a następnie składają ich genomy.

Opierając się na podobieństwach genetycznych z innymi organizmami, które można hodować w laboratorium i badać, mogą wywnioskować metabolizm i inne cechy archeonów Asgardu.

„Wyobraź sobie wehikuł czasu, który nie służy do eksploracji królestwa dinozaurów czy starożytnych cywilizacji, ale do podróży w głąb potencjalnych reakcji metabolicznych, które mogły zapoczątkować narodziny złożonego życia” – powiedziała współautorka dr Valerie De Anda, również z Wydział Biologii Integratywnej na University of Texas w Austin.

„Zamiast skamieniałości lub starożytnych artefaktów patrzymy na genetyczne plany współczesnych drobnoustrojów, aby zrekonstruować ich przeszłość”.

„Pochodzenie komórki eukariotycznej jest jednym z najbardziej zagadkowych wydarzeń w ewolucji życia na Ziemi i zawiera wiele ważnych szczegółów, które pozostają słabo poznane” – powiedział współautor, dr Thijs Ettema, badacz z Uniwersytetu Wageningen.

„W szczególności to, w jaki sposób komórki eukariotyczne uzyskały swój złożony i podzielony na przedziały charakter, jest przedmiotem debaty”.

„W tym badaniu zidentyfikowaliśmy konkretną grupę archeonów z Asgardu – Hodarchaeales – jako najbliższych krewnych eukariontów i dostarczyliśmy dowodów na to, że genetyczne podstawy niektórych złożoności eukariotów można prześledzić wstecz do archeonów Asgardu”.

„Nasze badanie obejmowało wiele szczegółowych analiz filogenetycznych danych genomowych w celu ustalenia, która grupa drobnoustrojów reprezentuje najbliższych krewnych eukariontów w drzewie życia”.

„Rozwiązywanie takich zależności ewolucyjnych jest niezwykle skomplikowane, ponieważ ich ostatni wspólny przodek pochodzi sprzed około 2 miliardów lat”.

„Od tego czasu sygnał ewolucyjny potrzebny do rozwiązania ich związku uległ erozji z powodu nagromadzenia mutacji w ich genomach”.

Naukowcy rozszerzyli znaną różnorodność genomową Asgardu, dodając 63 nieopisane genomy Asgardu jako dane wejściowe do ich modelowania.

Ich analiza wskazuje, że przodkowie wszystkich współczesnych Asgardów żyli w gorących środowiskach, zużywając do życia dwutlenek węgla i chemikalia.

Tymczasem Hodarchaeales, które są bliżej spokrewnione z eukariontami, są metabolicznie bardziej podobne do nas, jedząc węgiel i żyjąc w chłodniejszych środowiskach.

„Odkryliśmy, że asgardzki przodek eukariontów posiadał już wiele genów odpowiedzialnych za złożone procesy komórkowe, które wcześniej znajdowano tylko u eukariotów” – powiedział współautor, dr Daniel Tamarit, badacz z Uniwersytetu w Utrechcie.

„Ponadto odkryliśmy, że kilka jego genów ewoluowało poprzez zdarzenia duplikacji genów”.

„To zaskakujące, ponieważ wiadomo, że archeony i bakterie, w przeciwieństwie do eukariontów, pozyskują geny głównie od innych drobnoustrojów w procesie określanym jako poziomy transfer genów”.

„Zaobserwowane wysokie wskaźniki duplikacji genów w archeonach Asgardu sugerują, że ich genomy ewoluowały już w nieco podobny sposób, jak u eukariontów”.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Natura.

_____

L. Eme i in. Wnioskowanie i rekonstrukcja heimdallarchaeialnego pochodzenia eukariontów. Natura, opublikowane w Internecie 14 czerwca 2023 r.; doi: 10.1038/s41586-023-06186-2