Egy titokzatos archea vizsgálatával közelebb jutottunk a komplex élet kialakulásának megértéséhez
Laboratóriumi vizsgálatokkal kutatók feltárták az állatok, növények, gombák és számtalan egysejtű által alkotott eukarióta élőlények egyik legközelebbi rokonának titkait. Az asgard archeák közé tartozó mikroba a sejt alakját és belső struktúráját meghatározó sejtvázrendszerrel rendelkezik, ami segíthet megérteni, hogyan alakult ki a komplex élet a Földön – derül ki egy, a Nature-ben szerdán közölt kutatásból.
Az archeák a földi élet hajnalán, több mint 3,5 milliárd éve jelentek meg. Az 1970-es évek végéig a baktériumokkal együtt a prokarióták közé sorolták őket, de ezek a mikroorganizmusok sejttanilag, molekulárisan és evolúciós történetükben is eltérnek tőlük. Az először extrém élőhelyekhez kötött archeák az egész bolygón, de még az emberi mikrobiomban is jelen vannak, egyik legismertebb csoportjuk, a metanogének pedig metánt állítanak elő anyagcseréjük melléktermékeként.
Az eukarióták egy ősi archea leszármazottai, és az élővilág törzsfáján a 2010-es években metagenomikai kutatásokkal felfedezett asgard archeák állnak hozzájuk legközelebb.
Thiago Rodrigues-Oliveira, a Bécsi Egyetem Funkcionális és Evolúciós Ökológiai Tanszékének kutatója és kollégái a Lokiarchaeum ossiferumnak elnevezett, oxigénhiányos (anaerob) környezetben élő mikroorganizmust egy, a szlovéniai tengerparthoz közeli torkolatvidéki csatorna üledékéből izolálták. Ez mindössze a második alkalom, hogy sikeres volt egy, az asgard archeák közé tartozó mikroba laboratóriumi tenyésztése, ami lehetővé teszi a sejtek alapos tanulmányozását.
„Ez afelé mutat, hogy elég komplex volt, és elég sok mindent tudott már az az archea gazdasejt, ami befogadta a mitokondriumot” – mondta a Qubitnek Szöllősi Gergely, az Ökológiai Kutatóközpont Evolúciótudományi Intézetében (ETI) működő Nagy Evolúciós Átmenetek kutatócsoport tudományos főmunkatársa. A kutató szerint ilyen eredményekhez a tudományos kíváncsiságot, és nem közvetlenül a lehetséges alkalmazásokat kergető kutatásokra van szükség, amint azt pont az asgard archeák felfedezésének példájával a Nature november végi vezércikke is illusztrálta.
Az eukarióta sejt kialakulása az egyik nagy nyitott kérdése a modern biológiának, a John Maynard Smith és Szathmáry Eörs által leírt nagy evolúciós átmenetek egyike, mondta el Szöllősi. Ez az élet mai komplexitásának és diverzitásának megértése szempontjából is alapvető kérdés Magyarországon is aktív kutatás tárgya, mind elméleti, mind számítógépes modellek segítségével.
Hosszú út vezetett idáig
Az eukarióták és asgard archeák története az 1970-es évekre nyúlik vissza, magyarázta Szöllősi. Az évtized elején, mielőtt még molekuláris szekvenciák alapján sikerült volna nagyobb léptékű evolúciós családfákat rekonstruálni Whittaker nyomán, az élővilágot öt nagy országra osztotta a tudomány – ezek voltak a prokarióták, az egysejtű eukarióták, a növények, a gombák és az állatok. Ezt a képet forradalmasította 1977-ben az első molekuláris szekvenciaadatokon alapuló rendszertannal Carl Woese, aki George Foxszal a sejtek fehérjeszintézist folytató, néhány tíz nanométeres összeszerelő csarnokainak, a riboszómáknak egyik kulcsfontosságú komponensét adó riboszomális RNS-szekvenciákat vizsgálta.
Amint Szöllősi elmondta, a riboszomális RNS-ek szekvenciaalapú „ujjlenyomatai” alapján felállították az első, molekuláris szekvenciaalapú filogenetikai fát, amiből kiderült, hogy az élővilág három nagy doménre, baktériumokra, archeákra (korábban közösen prokarióták, sejtmag nélküliek) és eukariótákra (sejtmaggal rendelkezők) osztható. Az összes mai eukarióta rendelkezik egy, a mai alfa-proteobaktériumok őséből kialakult, mitokondriumnak nevezett sejtszervecskével, ami ATP (adenozin-trifoszfát) formájában kémiai energiát állít elő a saját mitokondriális genomja által szabályozott módon. Woese és Fox ezzel a PNAS nevű folyóiratban először írta le az archeákat külön rendszertani kategóriaként, és létrehozták az élővilág három doménes, „3D fának” is nevezett felosztását. Szöllősi szerint még ma sem lezárt kérdés, hogy hol helyezkedik el az összes földi élőlény utolsó közös őse (LUCA, Last Universal Common Ancestor), azaz a fa gyökere, de valószínűleg a baktériumok és a másik két domén közötti ágon.
Hét évvel később James Lake és kollégái szintén a PNAS-ben közölték az eocita hipotézist, ami egy kissé régimódibb morfológiai karaktereket vizsgáló megközelítésen alapult. A kutatók elektronmikroszkópos felvételekkel vizsgálták meg különböző mikroorganizmusok riboszómáinak alakját, és ez alapján építettek evolúciós törzsfát. Bár Szöllősi szerint végső soron a riboszóma alakja is a DNS szekvenciában kódolt információn alapul, ebben az esetben mégis látszólag ellentmondó eredményt adott: „Az jött ki Jim Lake-nek az alakokat vizsgálva, hogy vannak az eociták, akiknek a közeli rokonai az eukarióták, és a másik oldalon van az archeáknak a többi része, meg a baktériumok.”
Woese és kollégái 1990-ban publikálták háromosztatú törzsfájuk frissített verzióját, amiben az archeákat az eukariótákkal rokon, de elkülönülő csoportokként ábrázolták. A mai napig gyakran ez a „3D fa” szerepel az egyetemi tankönyvekben, mondta Szöllősi, így meg tudja lepni a hallgatókat, amikor azt mondja, hogy ez már tíz éve nem tükrözi a tudományos konszenzust. A kutató szerint a genomi adatok bővülésével és az egyre komplexebb és valószerűbb modellek segítségével a 2000-es évek végére már egészen mást találtak.
Martin Embley és kollégái 2008-ban a PNAS-ben megjelent tanulmányukban megmutatták, hogy a szekvenciaadatokat legjobban leíró evolúciós modelleket használó filogenetikai rekonstrukciók alapján az eukarióták az archeákból jöttek létre, így egy két doménes, azaz „2D”-s, vagy eocita jellegű fát kaptak. A következő években az egyre több adatot és egyre szofisztikáltabb szekvenciaevolúciós modellek ezt megerősítették, és egyre pontosabban feltárták, hogy milyen, korábban csak az eukariótákra jellemzőnek gondolt fehérjéket (eukaryotic signature protein, ESP) kódoló gének vannak jelen különböző archeákban – mondta a kutató.
Kulcsfontosságú felfedezés volt, hogy Thijs Ettema csoportja 2015-ben megtalálta a lokiarcheákat egy metagenomikai mintában, amit a Jeges-tenger alatt húzódó Mohns/Knipovitch-hegygerinc egyik fekete füstölgőjének (hidrotermális kürtő) környékéről, robotkarral vettek. Ezekben a mintákban Szöllősi szerint különböző arányban akár több száz genom keveredik össze, amiket mind megszekvenálnak, majd úgy kell őket összerakosgatni, mint egy kirakósjátékot. Szöllősi szerint a lokiarcheák azért voltak érdekesek, mert ezekben a korábbiaknál több eukariótaszerű ESP fehérje volt. Két évvel később további, a lokiarcheákkal rokon archeákat találtak nem csak extrém élőhelyeken, majd ezt 2021-ben újabbak követték. Ezek együtt alkotják az asgard archeák csoportját, amelyek a legközelebb állnak az eukariótákhoz, ahogy ezt az a 2019 decemberében, a Nature Ecology és Evolutionben közölt kutatás megállapította, amelyben Szöllősi is részt vett.
Az asgard archeák a kutató szerint valójában az eukarióták legelső közös ősének (FECA, First Eukaryotic Common Ancestor) a legközelebbi ma élő rokonai. A mai eukarióták utolsó közös őse (LECA, Last Eukaryotic Common Ancestor) a kutató szerint „már nagyon sok mindent tudott, volt mitokondriuma, sejtmagja, valószínűleg szexuálisan szaporodott, és képes volt más sejtek bekebelezésére (fagocitózisra) dinamikus sejtváza segítségével”. Az, hogy az asgardokon belül pontosan hogy alakulnak az evolúciós rokonsági viszonyok, még nem teljesen egyértelmű.
A mostani kutatás Szöllősi szerint nagyon lényeges, és közvetlen előzménye 2020-ban jelent meg, amikor Imachi Hiroyuki és kollégái egy általuk Prometheoarchaeum syntrophicumnak nevezett lokiarcheát sikeresen izoláltak mikrobiális tenyészetben, hosszú évek munkája után. Ez ugyanakkor egy lassan osztódó, és egyes tulajdonságaiban furcsa élőlény volt – mondta a kutató.
Jól kezelhetőnek tűnik az új archea, amiben bonyolult sejtvázrendszert tártak fel
A most izolált, mintavételi üledékrétegben közel 4 százalékos gyakoriságot mutató Lokiarchaeum lossiferum sikeres tenyésztéséhez több lépés vezetett, végül egy egyszerű, egyetlen szervesanyag-forrást és magas baktériumok elleni antibiotikum-koncentrációt tartalmazó táptalaj működött legjobban. Ezzel 25-80 százalékot ért el a tenyészetben az archea aránya és milliliterenként 25-50 milliót a sejtszáma. A tenyészetben a Lokiarchaeum lossiferum és egy baktériumfaj mellett két másik archea, a metanogén Methanogenium sp. és a Halodesulfovibrio sp. volt jelen, amelyek a Lokiarchaeum lossiferum anyagcserepartnerei lehetnek.
Szöllősi elmondta, hogy az újonnan tenyésztett archea egész kezelhetőnek tűnik a laborban, hetente-kéthetente osztódik, egész nagy sejtszámot tud elérni a tenyészetben és viszonylag nagy genomja van. Azonban azt, hogy a tenyésztése mekkora előrelépést jelenthet az archeákkal foglalkozó kutatóknak, az is döntheti majd el, hogy Rodrigues-Oliveira és csoportja megosztja-e a Lokiarchaeum ossiferumot kollégáikkal.
A Lokiarchaeum ossiferum genomja 6,035 millió bázispár hosszú, 5119 fehérjét kódol, és evolúciósan jelentősebb eltéréseket mutat az ugyancsak a lokiarcheákhoz tartozó, korábban sikeresen tenyésztett Prometheoarchaeum syntrophicumhoz képest. A több mint 5 ezer fehérjéjének 5 százaléka ESP, köztük négy, az eukarióták aktin strukturális fehérjéjével homológ (közös evolúciós eredetű) fehérjével. Rodrigues-Oliveira és kollégái szerint azt korábban is feltételezték, hogy az eukariótaszerű ESP fehérjék komplex sejtbeli struktúrákat és bonyolult sejtvázrendszert (citoszkeleton) hozhatnak létre asgard archeákban, de ezt eddig nem sikerült igazolni.
A kutatók egy krio-elektrontomográfiának nevezett eljárással készítettek felvételeket a gömbalakú (coccoid) és nyúlványokkal rendelkező Lokiarchaeum lossiferumról, és a riboszómáinak jellegzetességei alapján azonosították őket a tenyészet más sejtjei között. A 0,3-1 mikrométeres archeát a szakemberek szerint egy komplex felszíni fehérjestruktúrákkal borított archea sejtfal határolja, amelynek a sejtek közötti kommunikációban lehet szerepe. A felvételek alapján, amelynek elemzését neurális hálózatok is segítették, a mikroba számtalan, vékony szálakból álló, a sejt különböző részeit összekötő fonalat tartalmaz, és ezek az egész sejtben, de még a nyúlványokban is megtalálhatók. A kutatók szerint a struktúra az eukarióta sejtváznak felelhet meg.
Az elektronmikroszkópos megfigyelésekből kiderült, hogy a sejtvázat csavarodott, kettős szálszerkezetű, az eukarióták F-aktin fehérjéjére emlékeztető filamentumok építik fel. Később immunfluoreszcenciás vizsgálatok alapján sikerült igazolni, hogy ezek egy eukariótaszerű ESP fehérjéből, lokiaktinból állnak. Rodrigues-Oliveira és munkatársai szerint az összes asgard archeában, így vélhetően a közös ősükben is megtalálható lokiaktinnak komplex evolúciós története van, amit a gének elvesztése, visszanyerése és duplikációja jellemez.
A kutatók szerint a lokiaktinból álló sejtvázat az archea genomja által kódolt, aktinhoz kapcsolódó fehérjék dinamikusan szabályozzák. A tanulmány szerzői szerint az archea nyúlványai jelentősen megnövelik a sejtfal felszínét, ami a felszíni fehérjékkel együtt a sejtek közötti kapcsolatokat biztosíthatja és menedzselheti. Úgy látják, ha ez jelen volt az eukarióták ősét adó archeában is, az megalapozhatta a mitokondrium alfa-proteobaktérium őse és az archea gazdasejt közti szimbiotikus kapcsolat fokozatos kialakulását.
Szöllősi szerint a mostani eredmény jelentőségét egy egyértelműen citoszkeletonra, vagyis sejtvázra mutató morfológia megléte adja, így a kutató szerint legalábbis ebben az esetben az aktinnal homológ ESP nemcsak a genomban mutatható ki, hanem tényleg úgy működik, mint az eukariótákban. Más archeáknál is vannak Szöllősi szerint aktin homológok, de azoknak a mikroorganizmusoknak nincs feltétlen citoszkeletális szerkezete. Úgy véli, nagy előrelépést jelent, hogy Imachiéknál részletesebben, és egy másik, független lokiarcheán sikerült ilyen sejtbiológiai részleteket kideríteni, ami egyre inkább alátámasztja, hogy a korábbiakban nem csak egy különleges esetről volt szó.
Az egykori archea gazdasejt és a mitokondrium alfa-proteobaktérium őse közötti korai szimbiotikus kapcsolat megmagyarázására a két, eddig tenyészetben vizsgált asgard archea anyagcseréjének jellemzői alapján Szöllősi szerint alkalmas lehet a „reverse flow modell”, amit Anja Spang és kollégái publikáltak 2019-ben, a Nature Microbiology folyóiratban. A modellt Spang és munkatársai az asgard archeákban jelenlévő, anyagcserét szabályozó gének alapján dolgozták ki. A lényege, hogy az archea gazdasejt szerves anyagok anaerob (oxigén hiányában) lebontásával redukált állapotú (hidrogén többlettel rendelkező) molekulákat állított elő, amit például molekuláris hidrogén formájában feldolgozott a mitokondrium ősét adó baktérium.
Rodrigues-Oliveira és kollégái szerint az aktin sejtváz kialakulása megelőzhette az első eukarióta megjelenését, és kulcsfontosságú szerepet játszott az asgard archeák kialakulásában és evolúciójában. Azt állítják, a citoszkeleton az eukariótákhoz hasonlóan ezeknél az archeáknál is egyfajta kifinomult tartóvázként funkcionálhat a sejtbeli komplex struktúráknak.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
