Jak vznikly eukaryotické organismy? Záhadu odhalují čerstvě vypěstovaná Lokiarcheota.

Autor: Jan Toman

Když vědci před dvěma lety popsali novou linii mikrobů blízce příbuznou organismům se složitějšími, eukaryotickými, buňkami, k dokonalosti chyběla celému objevu pouze jedna věc – laboratorní kultura těchto tvorů. Tu se nyní podařilo vypěstovat týmu japonských biologů, díky čemuž mohou vědci zahájit novou etapu odhalování vzniku eukaryot.

Život na Zemi můžeme rozdělit do tří hlavních skupin – na eukaryota, bakterie a archea. Složitější eukaryotické buňky přitom prokazatelně vznikly spojením jednoduché archeální buňky s bakterií, předkem dnešní „buněčné elekterárny“ mitochondrie. V posledních letech z tohoto důvodu propukl hon na archeální skupiny blízce příbuzné eukaryotům, který byl korunován objevem Lokiarcheot. Třebaže jde o typická archea, příslušníci této skupiny se z hlediska genové výbavy v mnoha ohledech blíží eukaryotům. Až před pár týdny nicméně japonský biologický tým oznámil, že se jim podařilo tyto organismy vypěstovat a studovat v laboratoři. Drobné buňky lokiarcheot přežívají pouze v symbiotickém vztahu s jinými mikroorganismy. Vzhledem k tomu, že kolem sebe vytvářejí změť výhřezů, je navíc možné, že lokiarcheota občas některého ze svých symbiotických partnerů pohltí. Podobný proces mohl před miliardami let stát na počátku cesty od symbiotických bakterií k mitochondriím.

Jednou z největších dosud nezodpovězených biologických otázek je, jak se vyvinuly organismy s komplexnější, eukaryotickou, buňkou. Mezi tyto organismy spadáme jak my, živočichové, tak rostliny, houby a dlouhá řada jednobuněčných linií, kterým nejčastěji říkáme prvoci nebo řasy. Eukaryotické buňky jsou velké, vnitřně členěné a obsahují nápadné jádro doprovázené celou řadou „buněčných orgánů“ neboli organel. Starší a jednodušší prokaryotické organismy, mezi které spadají bakterie a jim blízce nepříbuzná, ale podobně jednoduchá skupina Archea, mají oproti tomu drobné buňky bez výrazných vnitřních struktur.

Právě výše zmíněná dnes trochu nenápadná Archea (na rozdíl od bakterií nejsou kupříkladu původci žádných lidských nemocí) sehrála při vzniku eukaryotických buněk klíčovou roli. Podle molekulárně-biologických dat byl totiž předkem eukaryot právě archeální organismus. Ten se nějakým, dosud neznámým, způsobem spojil s bakterií, která se postupně stala jeho nedílnou součástí a dala základ mitochondrii. Díky této alianci mohly proto-eukaryotické organismy přežít i v kyslíkatém prostředí. Mitochondrie jim navíc (samozřejmě kromě mnoha jiných výhod) zpřístupnily nový, vydatný, zdroj energie – buněčné dýchání s využitím kyslíku.

Jak ale k celému procesu došlo? Jak vypadaly první, proto-eukaryotické, organismy? A můžeme dnes nalézt nějaké jejich blízké příbuzné? Na všechny tyto otázky mohli biologové donedávna odpovídat jen pokrčením ramen, respektive tvorbou nových teorií a hypotéz. V roce 2017 nicméně rozsáhlý mezinárodní tým publikoval v časopisu Nature studii, podle které vzorky DNA odebrané o několik let dříve u hlubokomořských vývěrů horkých vod v severním Atlantiku obsahují stopy archeální linie blízce příbuzné eukaryotům. Podle názvu samotné lokality – Lokiho hrad – dostala tato archeální linie název Lokiarcheota.

Během následujících let badatelé popsali mnoho archeí z příbuzenstva lokiarcheot. Celá skupina dostala po sídle severských bohů název Asgard. Biologům se dokonce podařilo na základě molekulárně-biologických dat o přítomnosti a využití různých genů u těchto organismů vytipovat celou řadu vlastností, které by měly vykazovat. Až donedávna ale neměl nikdo možnost studovat Lokiarcheota ani jiné příslušníky skupiny Asgard napřímo.

To se však nyní mění. Text, který zveřejnil tým japonských biologů v preprintovém archivu bioRxiv a který nyní čeká na vydání v odborném periodiku, totiž tvrdí, že se jim podařilo Lokiarcheota úspěšně vypěstovat v laboratoři. Podle všeho to nebylo jednoduché. Celý příběh začal ještě dříve, než kdo o lokiarcheotech vůbec slyšel, a to pokusem o napodobení podmínek hlubokomořských vývěrů. Příslušné aparatury vědci naplnili vzorky odebranými v hlubomořské propadlině Nankai a čekali, jaké mikroorganismy jejich kůru přečkají.

Mezi přeživšími se nacházela celá řada lépe i hůře probádaných linií, různé příslušníky skupiny Asgard nevyjímaje. Opravdovým oříškem se ale ukázalo pěstování Lokiarcheot v čisté kultuře vhodné pro další výzkum. Nejen, že si tyto organismy zvykaly na nové prostředí až dva měsíce. Navíc se množily velice pomalu a ke svému přežití potřebovaly přítomnost alespoň jednoho dalšího, symbiotického, druhu. Těmito spolupracovníky jsou bakterie Halodesulfovibrio či archea Methanogenium. Dokonce i v jejich přítomnosti a za ošetření antibiotiky proti růstu jiných, průbojnějších, mikroorganismů se ale zkoumaná Lokiarcheota nedělila rychleji než jednou za dva až tři týdny. Celý projekt tak od přípravy vzorků až po vypěstování použitelných množství lokiarcheot zabral několik let.

Prometheoarchaeum syntrophicum bývá obklopené mimobuněčnou hmotou a vytváří řetízky váčků či větvené výrůstky, jejichž splynutím mohla příbuzná archea pohltit bakteriálního předka mitochondrie. Podle Imachi et al. 2019.

Vypěstovaný druh lokiarcheot nakonec dostal jméno Prometheoarchaeum syntrophicum. Na první pohled není příliš zajímavý. Jde o malé nečleněné kulovité buňky bez jasně viditelných vnitřních struktur přežívající pouze v bezkyslíkatém prostředí. Už na ten druhý ale prozrazuje nesmírně zajímavé detaily.

V souvislosti se vznikem eukaryot výzkumníkům neunikl fakt, že Prometheoarchaeum ke svému růstu potřebuje symbiotické partnery. Jak zdokumentovali, lokiarcheont se živí převážně rozkladem bílkovin, respektive jejich stavebních složek, aminokyselin. Při tomto procesu mu přebývá vodík a zbytky kyseliny mravenčí, které obratem dodává symbiontům výměnou za organické látky, které nedokáže sám vytvořit. Molekulárně-biologické studie už dříve naznačily, že archea ze skupiny Asgard ovládají nejrůznější způsoby látkové výměny. Výše zmíněný rozklad aminokyselin mají ale společný a s velkou pravděpodobností se také jedná o metabolismus pro tuto skupinu základní.

Schopnost prometheoarchea přežít jen v rámci symbiotických spojenectví silně nasvědčuje těm teoriím vzniku eukaryot, které předpokládají, že na počátku celého procesu stálo volné společenství vzájemně se doplňujících archeí a bakterií. Tradičním problémem těchto konceptů je, že nedokáží vysvětlit, jak se dostal bakteriální předek mitochondrie do archeální buňky. Na typické pohlcení celé bakteriální buňky procesem fagocytózy, který dnes eukaryota ovládají běžně, totiž archea nemá dostatek energie. I na tuto záhadu ale nabízí prometheoarcheum odpověď.

Podle mikroskopických pozorování totiž jeho buňky kolem sebe vytvářejí složitě větvené výrůstky a řetízky váčků, které mohou mimo jiné izolovat symbionty a přispívat k efektivitě jejich metabolické výměny. Není těžké si představit, že podobné výhřezy mohly u předka eukaryot občas splynout a symbionta tak uzavřít v celku archeálního těla. Pokud se jednalo o bakterii schopnou zpracovávat pro archea jedovatý kyslík, rázem se otevřela podobným kompozitním organismům cesta i do okysličenějších vrstev usazenin bohatých na živiny. Jakmile došlo k pevnému zakomponování proto-mitochondrie, mohl následovat rozvoj buněčného dýchání a ostatních eukaryotických vlastnosti.

Zatím samozřejmě nejde o víc než hypotézu. Nemůžeme také vyloučit, že se kdesi na dně moře skrývá ještě bližší – a třeba úplně odlišný – archeální příbuzný eukaryot. Tato možnost sice není příliš pravděpodobná, příroda nás už ale dokázala nejednou překvapit. Jisté je, že čerstvě vypěstovaná Lokiarcheota poskytnou biologům hodně materiálu k přemýšlení. A to jsme opominuli, že stejný japonský tým, který napěstoval prometheoarcheum, avizuje, že se v jejich kulturách skrývají další „asgarďané“ a jiné dosud neprobádané skupiny…

Zdroj: H Imachi, MK Nobu, N Nakahara, … & Y Matsui (2019): Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface. bioRxiv, online.

Facebook Comments