O „veriga lipsă” – Cercetătorii aruncă lumină asupra originii formelor complexe de viață

Cercetătorii de la Universitatea din Viena și ETH Zurich cultivă microorganismul „veriga lipsă”.

Ce a dus la apariția unor organisme complexe pe Pământ? Aceasta este o întrebare importantă fără răspuns în biologie. Cercetători din echipa Christei Schleper de la Universitatea din Viena și echipa lui Martin Pilhofer la ETH Zürich a făcut un pas către rezolvarea acesteia. Oamenii de știință au reușit să crească un arheon special și să-l caracterizeze mai precis folosind metode microscopice.

Acest membru al arheei Asgard prezintă caracteristici celulare unice și poate reprezenta o „verigă lipsă” evolutivă către forme de viață mai complexe, cum ar fi animalele și plantele. Studiul tocmai a fost publicat în jurnal Natură.

Toate formele de viață de pe pământ sunt împărțite în trei domenii majore: eucariote, bacterii și arhee. Eucariotele includ grupurile de animale, plante și ciuperci. Celulele lor sunt în general mult mai mari și, la prima vedere, mai complexe decât celulele bacteriilor și arheilor. Materialul genetic al eucariotelor, de exemplu, este ambalat într-un nucleu celular, iar celulele au, de asemenea, un număr mare de alte compartimente. Forma și transportul celulelor în interiorul celulei eucariote se bazează, de asemenea, pe un citoschelet extins. Dar cum s-a întâmplat saltul evolutiv către astfel de celule eucariote complexe?

Una dintre cele mai populare teorii evolutive de astăzi presupune că eucariotele (inclusiv animale, plante și ciuperci) au provenit din fuziunea unui arheon Asgard cu o bacterie. Credit: © Florian Wollweber, ETH Zürich

Cele mai multe modele actuale presupun că arheile și bacteriile au jucat un rol central în evoluția eucariotelor. Se crede că o celulă primordială eucariotă a evoluat dintr-o simbioză strânsă între arhee și bacterii în urmă cu aproximativ două miliarde de ani. În 2015, studiile genomice ale mostrelor de mediu de adâncime au descoperit grupul de așa-numitele Archaea din Asgard, care în arborele vieții reprezintă cele mai apropiate rude ale eucariotelor. Primele imagini cu celule din Asgard au fost lansate în 2020 din culturi de îmbogățire de către un grup japonez.

Arheea Asgard cultivată din sedimente marine

Grupul de lucru al Christei Schleper de la Universitatea din Viena a reușit acum pentru prima dată să cultive un reprezentant al acestui grup în concentrații mai mari. Provine din sedimentele marine de pe coasta Piranului, Slovenia, dar este și un locuitor al Vienei, de exemplu în sedimentele de pe malurile Dunării. Datorită creșterii sale la densități mari de celule, acest reprezentant poate fi studiat deosebit de bine. „A fost foarte delicat și laborios obținerea acestui organism extrem de sensibil într-o cultură stabilă în laborator”, relatează Thiago Rodrigues-Oliveira, postdoc în grupul de lucru Archaea de la Universitatea din Viena și unul dintre primii autori ai studiului.

Co-primul autor Rafael Ponce prelevează probe de sedimente marine la Canalul Seca din Piran, Slovenia. Credit: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena

Arheele Asgard au o formă celulară complexă cu un citoschelet extins

Succesul remarcabil al grupului vienez în cultivarea unui reprezentant foarte îmbogățit al Asgard a permis în cele din urmă o examinare mai detaliată a celulelor prin microscopie. Cercetătorii ETH din grupul lui Martin Pilhofer au folosit un microscop crio-electron modern pentru a fotografia celulele înghețate la șoc. „Această metodă permite o perspectivă tridimensională asupra structurilor celulare interne”, spune Pilhofer.

Micrografie electronică cu scanare a unei celule Lokiarchaeum ossiferum care arată proeminențele lungi și complexe ale celulelor. Credit: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Viena

„Celulele sunt alcătuite din corpuri celulare rotunde cu extensii celulare subțiri, uneori foarte lungi. Aceste structuri asemănătoare tentaculelor par chiar să conecteze diferite corpuri celulare între ele”, spune Florian Wollweber, care a petrecut luni de zile urmărind celulele sub un microscop.Celulele conțin, de asemenea, o rețea extinsă de filamente de actină despre care se crede că sunt unice pentru celulele eucariote.Aceasta sugerează că structurile citoscheletice extinse au apărut în arhee înainte de apariția primelor eucariote și alimentează teoriile care evoluează în jurul acestui eveniment important și spectaculos din istoria vieții.

Perspective de viitor datorită noului organism model

„Noul nostru organism, numit Lokiarchaeum ossiferum, are un mare potențial de a oferi noi perspective inovatoare asupra evoluției eucariote timpurii”, comentează microbiologul Christa Schleper. „A fost nevoie de șase ani lungi pentru a obține o cultură stabilă și foarte îmbogățită, dar acum putem folosi această experiență pentru a efectua multe studii biochimice și pentru a cultiva și alte arhee din Asgard”. În plus, oamenii de știință pot folosi acum noile metode de imagistică dezvoltate la ETH pentru a studia, de exemplu, interacțiunile strânse dintre arheile din Asgard și partenerii lor bacterieni. Procesele biologice celulare de bază, cum ar fi diviziunea celulară, pot fi, de asemenea, studiate în viitor pentru a arunca lumină asupra originii evolutive a acestor mecanisme la eucariote.

Referință: „Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon” de Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer și Christa Schleper, 21 decembrie 2022, Natură.
DOI: 10.1038/s41586-022-05550-y