Αρχαίος μικροοργανισμός ‘Asgard’ μπορεί να χρησιμοποίησε οξυγόνο πολύ πριν είναι άφθονο στη Γη, προσφέροντας νέο στοιχείο για την προέλευση της πολύπλοκης ζωής
Πάνω από 2 δισ. χρόνια πριν, πολύ προτού η ατμόσφαιρα της Γης περιέχει οξυγόνο, μια ανθεκτική ομάδα μικροοργανισμών μπορεί να είχε ήδη εξελιχθεί για να ζει με το αέριο, θέτοντας τις βάσεις για την άνοδο της πολύπλοκης ζωής.
Σε μια νέα γενετική έρευνα ιζημάτων ωκεανών και θαλασσινού νερού, ερευνητές βρήκαν στοιχεία ότι οι πιο συγγενικοί γνωστοί μικροβιακοί συγγενείς των φυτών και των ζώων —μια ομάδα γνωστή ως αρχαία Asgard— φέρουν τον μοριακό μηχανισμό για να διαχειρίζονται το οξυγόνο, και πιθανώς ακόμη και να το μετατρέπουν σε ενέργεια. Προηγουμένως, πολλά από τα Asgard που μελετήθηκαν συνδέονταν με περιοχές με χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο.
Αυτή η ανατροπή θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση μιας από τις πιο σημαντικές ιστορίες προέλευσης της βιολογίας, καθώς οι ειδικοί πιστεύουν ότι ένας απλός μικροοργανισμός συνδυάστηκε με ένα βακτήριο και, με την πάροδο του χρόνου, εξελίχθηκε σε πιο πολύπλοκα κύτταρα που δημιούργησαν τα πάντα, από τα ερυθρελάτα μέχρι τους ανθρώπους. Αλλά αυτό το αρχαίο “ραντεβού”, αν και συναρπαστικό, έχει ένα πρόβλημα: Πώς βρέθηκαν αυτά τα δύο και πώς συνεργάστηκαν αρχικά;
Τα μιτοχόνδρια, οι ενεργειακοί κόμβοι μέσα στα πολύπλοκα κύτταρα, προήλθαν από ένα βακτήριο που χρειάζεται οξυγόνο για να επιβιώσει. Όμως, τα αρχαία —ένας από τους τρεις μεγάλους τομείς της ζωής— θεωρείται ότι ήταν οι “ξενιστές” στην σημαντική ιστορία της συνάντησης μικροοργανισμού-βακτηρίου — και πολλά από αυτά έμοιαζαν να είναι φτιαγμένα για επιβίωση χωρίς οξυγόνο. Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 18 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature, υποδηλώνει ότι ο μικροοργανισμός-ξενιστής, γνωστός ως αρχαία Asgard, μπορεί να άντεχε το οξυγόνο καλύτερα από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως.
“Τα περισσότερα Asgard που ζουν σήμερα έχουν βρεθεί σε περιβάλλοντα χωρίς οξυγόνο,” δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Brett Baker, αναπληρωτής καθηγητής θαλάσσιων επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, σε δήλωσή του. “Αλλά αποδεικνύεται ότι αυτά που σχετίζονται περισσότερο με τους ευκαρυώτες ζουν σε μέρη με οξυγόνο, όπως ρηχά παράκτια ιζήματα και επιπλέοντα στο υδάτινο στήγμα, και έχουν πολλές μεταβολικές οδούς που χρησιμοποιούν οξυγόνο. Αυτό υποδηλώνει ότι ο ευκαρυωτικός μας πρόγονος πιθανότατα είχε και αυτές τις διεργασίες.”
Τα αρχαία Asgard, που πήραν το όνομά τους από την κατοικία των θεών στη σκανδιναβική μυθολογία, ανακαλύφθηκαν το 2015 όταν οι ερευνητές συνέταξαν γονιδιώματα από ιζήματα του βυθού κοντά στις υδροθερμικές πηγές του Loki’s Castle. Από αυτή την έρευνα, η ομάδα δημιούργησε ένα υπερ-φύλο Asgard που περιλάμβανε ομάδες αρχαίων όπως οι Lokiarchaeota, Thorarchaeota και Odinarchaeota. Μεταγενέστερες μελέτες αποκάλυψαν ότι τα Asgard φαίνονταν να φέρουν πολλαπλά γονίδια “ευκαρυωτικού σήματος”, υποδηλώνοντας στενή προγονική σχέση με τους ευκαρυώτες, οργανισμούς των οποίων τα κύτταρα έχουν πυρήνα και κυτταρικά οργανίδια που περιβάλλονται από μεμβράνη.
Ένα ταξίδι στον βυθό
Για να κατανοήσουν πώς τα Asgard μπορεί να άντεχαν το οξυγόνο, η ομάδα αναζήτησε στην Θάλασσα Bohai σε βάθος 100 ποδιών (30,5 μέτρα) κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας και στη Λεκάνη Guaymas σε βάθος 6.561 ποδιών (2.000 μέτρα) κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας, περιοχές όπου ευδοκιμούν μικροοργανισμοί. Διέτρεξαν και ανέλυαν περίπου 15 terabytes περιβαλλοντικού DNA από θαλάσσια ιζήματα, ανακατασκεύασαν πάνω από 13.000 μικροβιακά γονιδιώματα και εξήγαγαν εκατοντάδες γενετικές αλληλουχίες που ανήκουν στα Asgard.
“Αυτά τα αρχαία Asgard συχνά χάνονται στην αλληλουχία χαμηλής κάλυψης,” δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Kathryn Appler, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Institut Pasteur στο Παρίσι, σε δήλωσή της. “Η μαζική προσπάθεια αλληλούχησης και η στρώση μεθόδων αλληλούχησης και δομικών μεθόδων μας επέτρεψε να δούμε μοτίβα που δεν ήταν ορατά πριν από αυτή την γενομική επέκταση.”
Αυτά τα μοτίβα περιλάμβαναν γονίδια που συνδέονται με την αερόβια αναπνοή, την διαδικασία που τροφοδοτείται από οξυγόνο και που πολλοί οργανισμοί χρησιμοποιούν για να αντλήσουν επιπλέον ενέργεια από την τροφή. Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης ένα εργαλείο ΤΝ που ονομάζεται AlphaFold2 για να προβλέψει σχήματα πρωτεϊνών και να ενισχύσει την υπόθεσή της για γενετικό μηχανισμό ανθεκτικό στο οξυγόνο μέσα στον μικροοργανισμό.
Συγκεκριμένα, ένας κλάδος των Asgard, γνωστός ως Heimdallarchaeia (ονομασμένος από τον φύλακα των σκανδιναβικών θεών), ξεχώρισε. Οι ερευνητές ανέφεραν ότι πολλά γονιδιώματα Heimdallarchaeia περιέχουν μέρη του μοριακού μηχανισμού που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρονίων και την παραγωγή ενέργειας με οξυγόνο, μαζί με ένζυμα που βοηθούν στη διαχείριση τοξικών υποπροϊόντων οξυγόνου.
Εάν αυτές οι ικανότητες διαχείρισης οξυγόνου υπήρχαν στον αρχαίο πρόγονο των πολύπλοκων κυττάρων, καθιστά την περίφημη συγχώνευση πιο εύκολο να την φανταστούμε.
“Το οξυγόνο εμφανίστηκε στο περιβάλλον, και τα Asgard προσαρμόστηκαν σε αυτό,” δήλωσε ο Baker. “Βρήκαν ένα ενεργειακό πλεονέκτημα στη χρήση οξυγόνου, και στη συνέχεια εξελίχθηκαν σε ευκαρυώτες.”