Кислород до кислорода: микробы из Асгарда переписывают историю возникновения сложной жизни

Более 2 миллиардов лет назад, задолго до того, как атмосфера Земли наполнилась кислородом, одна выносливая группа микробов, возможно, уже эволюционировала, чтобы жить с этим газом, подготовив почву для возникновения сложной жизни.

В новом генетическом исследовании образцов океанского ила и морской воды исследователи нашли доказательства того, что ближайшие известные микробные родственники растений и животных — группа, известная как археи Асгарда (Asgard archaea) — несут в себе молекулярное оснащение для работы с кислородом и, возможно, даже для преобразования его в энергию. Ранее многие изученные асгарды были связаны с бескислородными зонами.

Этот поворот может помочь объяснить одну из самых важных историй происхождения в биологии, поскольку эксперты полагают, что простая микробная клетка слилась с бактерией и со временем развилась в более сложные клетки, создавшие всё — от секвой до человека. Однако у этой древней истории знакомств, сколь бы убедительной она ни была, есть неловкая проблема: как эти двое вообще нашли друг друга и начали работать вместе?

Митохондрии — энергетические центры внутри сложных клеток — произошли от бактерии, которой для выживания необходим кислород. Но археи — один из трех крупных доменов жизни — считаются хозяевами в этой важной истории встречи микроба и бактерии, и многие из них, казалось, были созданы для выживания без кислорода. Новое исследование, опубликованное 18 февраля в журнале Nature, предполагает, что микроб-хозяин, известный как археи Асгарда, возможно, переносил кислород лучше, чем считалось ранее.

«Большинство ныне живущих асгард были найдены в средах без кислорода, — заявил в своем заявлении соавтор исследования Бретт Бейкер, доцент кафедры морских наук Техасского университета в Остине. — Но оказывается, что те из них, которые наиболее тесно связаны с эукариотами, живут в местах, где есть кислород, например, в мелководных прибрежных отложениях и в толще воды, и у них есть множество метаболических путей, использующих кислород. Это говорит о том, что наш эукариотический предок, вероятно, также обладал этими процессами».

Археи Асгарда, названные в честь обители богов в скандинавской мифологии, были открыты в 2015 году, когда исследователи собрали геномы из глубоководных отложений возле гидротермального источника «Замок Локи». В результате этого исследования команда создала надтип Asgard, включивший в себя группы архей, такие как Lokiarchaeota, Thorarchaeota и Odinarchaeota. Последующие исследования показали, что асгарды, по-видимому, несут множество «эукариотических сигнатурных» генов, что указывает на тесную наследственную связь с эукариотами — организмами, клетки которых имеют ядро и мембранные органеллы.

Путешествие в глубину

Чтобы понять, как асгарды могли переносить кислород, команда вела поиск в Бохайском море на глубине 100 футов (30,5 метра) ниже уровня моря и в бассейне Гуаймас на глубине 6561 фута (2000 метров) ниже уровня моря — в областях, где процветают микробы. Они просеяли и проанализировали примерно 15 терабайт экологической ДНК из морских отложений, восстановили более 13 000 микробных геномов и извлекли сотни генетических последовательностей, принадлежащих асгардам.

«Эти археи Асгарда часто остаются незамеченными при секвенировании с низким покрытием, — заявила в том же заявлении соавтор исследования Кэтрин Эпплер, постдокторант Института Пастера в Париже. — Масштабные усилия по секвенированию и наслоение методов секвенирования и структурного анализа позволили нам увидеть закономерности, которые были невидны до этого геномного расширения».

Эти закономерности включали гены, связанные с аэробным дыханием — процессом, использующим кислород, с помощью которого многие организмы извлекают дополнительную энергию из пищи. Команда также использовала инструмент искусственного интеллекта AlphaFold2 для предсказания форм белков, что укрепило их аргументацию в пользу наличия внутри микроба генетического механизма, устойчивого к кислороду.

В частности, выделялась одна ветвь асгард, известная как Heimdallarchaeia (названная в честь стража богов-асов). Исследователи сообщили, что многие геномы Heimdallarchaeia содержат части молекулярного механизма, используемого для перемещения электронов и выработки энергии с помощью кислорода, а также ферменты, помогающие справляться с токсичными побочными продуктами кислорода.

Если эти способности к работе с кислородом присутствовали у архейного предка сложных клеток, это облегчает представление знаменитого слияния.

«Кислород появился в окружающей среде, и асгарды адаптировались к этому, — сказал Бейкер. — Они нашли энергетическое преимущество в использовании кислорода, а затем эволюционировали в эукариот».

Переписывая историю

Это открытие не только проливает свет на возможные условия зарождения сложной жизни, но и меняет наше понимание роли кислорода в эволюции. Вместо катастрофического яда, убивающего анаэробные формы жизни, кислород мог быть постепенно освоен некоторыми микробами как источник колоссальной энергии, что и дало им решающее преимущество. Исследование подчеркивает, что ключевые этапы эволюции могли происходить в самых разных средах, включая те, где концентрация кислорода была переменчивой. Следующим шагом для ученых станет поиск прямых доказательств того, что древние асгарды действительно использовали эти кислородные пути, а не просто обладали генами. Лабораторные эксперименты с современными родственниками этих микробов могут дать ответ на вопрос, как именно произошел тот самый судьбоносный симбиоз, подаривший миру все разнообразие сложных форм жизни.