Každé lidské tělo je složeno z eukaryotických buněk, které se vyznačují jádrem, DNA zabalenou do chromozomů a vnitřními odděleními. Naopak bakterie a archaea mají jednodušší buňky.
Po mnoho let učebnice zastávaly model života „tří domén“, ve kterém byly bakterie, archaea a eukaryota rozděleny na tři větve. Nové důkazy DNA ale vedly výzkumníky k modelu „dvou domén“, v němž sedí archaea a eukaryota mnohem blíže k sobě.
Mezi archaemi vyniká jeden klastr, Asgard archaea, protože zahrnuje některé z nejpodivnějších známých genomů archaea. Dřívější výzkumy naznačily, že tato skupina by mohla být blízko linie eukaryot, která nakonec vytvořila složité buňky, jaké máme dnes.
Eukaryota jsou složité organismy, jejichž buňky obsahují jádro – skupinu, do které patří všechny rostliny, živočichové, hmyz a houby. Tato náznak přinesl hádanku o předcích: tým chtěl vědět, který rod Asgard dal vzniknout našim buňkám, jak se jeho genom měnil a jaký životní styl měl tento předek.
„Jaké události vedly mikroby k evoluci do eukaryot?“ říká Brett Baker, docent integrativní biologie a mořské vědy na Texaské univerzitě v Austinu (UT Austin). „To je velká otázka. Mít toho společného předka je velký krok k jejímu pochopení.“
Asgard archaea se málokdy rozmnožují v laboratořích, proto se tým vydal hledat je do přírody. Odebírali vzorky z termálních pramenů, hlubokomořských hydrotermálních vrtů, mořských sedimentů a dalších sedimentů na 11 místech.
Tým nabral bláto a minerální usazeniny, extrahoval DNA a pomocí počítačů zrekonstruoval tuto smíšenou DNA do samostatných genomů známých jako metagenomické sestavené genomy (MAG).
„Představte si stroj času, ne abyste prozkoumali říše dinosaurů nebo starověkých civilizací, ale abyste se ponořili do potenciálních metabolických reakcí, které mohly rozproudit vznik složitého života,“ říká Valerie De Anda, výzkumnice v Bakerově laboratoři. „Místo fosilií nebo starověkých artefaktů se díváme na genetické plány moderních mikrobi, abychom zrekonstruovali jejich minulost.“
Tým z obnovil 63 nových genomů Asgard z odebraných vzorků, což dramaticky rozšířilo známou rozmanitost této skupiny. V rámci podskupiny Heimdallarchaeia našli velké rozmanitosti velikosti genomů a identifikovali nový řád, Hodarchaeales, který obsahuje některé z největších genomů.
Aby zjistili, jak jsou tyto Asgardy navzájem příbuzné a jak jsou příbuzné nám, badatelé sestavili evoluční stromy používající sady proteinů sdílených mezi archaea a eukaryoty. Po analýze genomů stovek archaea, které jsou mikroby odlišnými od bakterií, vědci z UT Austin a dalších institucí zjistili, že eukaryota pravděpodobně evolvovala z jednoho společného předka v rámci Asgard archaea.
Po všech testech se opakoval vzorec, který ukázal, že eukaryota sedí jako „dobře hnízdící klad“ uvnitř Asgard archaea. V těchto stromech tvoří eukaryotické buňky nejbližší sestrickou skupinu k Hodarchaeales uvnitř Heimdallarchaeia, což podporuje myšlenku, že složité buňky vznikly ve sféře archaea, nikoli z oddělené větve.
Tým poté porovnal rodiny genů napříč mnoha genomem archaea a rekonstrukčně analyzoval, co pravděpodobně obsahovaly předkové genomy v různých bodech tohoto stromu. Zjistili, že předci Asgardských skupin, zejména Lokiarchaeia a Hodarchaeales, vykazovali vysoké míry duplicit genů, zatímco jejich míry ztráty genů zůstaly podobné nebo nižší než u jiných archaea.
V důsledku toho měly ancestrální genomy Asgard tendenci být větší a obsahovat více proteinů než typičtí předci archaea, přičemž předek Hodarchaeales pravděpodobně držel přes 4 000 proteinů ve srovnání s přibližně 3 100 proteiny předpovězenými pro společného předka všech Asgard archaea.
Pomocí tohoto rekonstrukce obsahu genů vědci odvodili, jak tito předkové žili. Pro posledního společného předka Asgard archaea identifikovali geny pro Wood-Ljungdahlovu dráhu, což umožňuje buňkám používat anorganické uhlíkové sloučeniny k vytváření organických molekul.
Tento vzorec naznačuje chemolithotrofní životní styl, který čerpá energii z anorganických chemikálií namísto organických potravin, a ukazuje na znaky, že tento předek preferoval velmi vysoké teploty, což je v souladu s hypertermofilním původem v horkém prostředí.
Výzkumný tým považoval tohoto nejranějšího předka za „velkého-praděda“ a ptali se, jakou teplotu měl rád a co jedl. Jak evoluce směřovala k Heimdallarchaeia a poté k Hodarchaeales, linie vedoucí k společnému předku Asgard archaea a eukaryot ztratila Wood-Ljungdahlovu dráhu.
Tato linie se pak přesunula k heterotrofii, čerpajíc energii z organických sloučenin, pravděpodobně prostřednictvím fermentace. Předpokládaný centrální metabolismus uhlíku v té fázi zahrnoval dráhy velmi podobné těm ve moderních eukaryotických buňkách, jako je Embden-Meyerhof-Parnasova dráha, standardní forma glykolýzy, a částečná oxidativní pentózová fosfátová dráha.
Pro předka nejbližšího nám, společného předka Hodarchaeales a eukaryot, analýzy ukazují na mezofílní životní styl s optimální teplotou růstu mezi typickými pokojovými a tělesnými teplotami, spíše než v vařící horku. Tento předek používal úplný elektronový transportní řetězec a prováděl anaerobní dýchání, přičemž jako konečný akceptor elektronů používal dusičnan.
Tak mohl náš buněčný „dědeček“ žít v prostředí chudém na kyslík, ale chemicky bohatém a vyrábět ATP pomocí dusičnanu místo kyslíku. „To je opravdu vzrušující, protože poprvé zkoumáme molekulární plány předka, který dal vznik prvním eukaryotickým buňkám,“ říká De Anda.
Název Hodarchaeales pochází z Hoda v severské mytologii, slepého boha, který byl podveden do úmrtí svého bratra Baldr. „Vždy se v žertu na svých přednáškách říkám, že ‚Všichni jsme Asgardští‘,“ říká Baker. „Teď to pravděpodobně skončí na mém náhrobku.“
Naše zjištění naznačují, že předek Asgard eukaryot měl již toolkit pro ohýbání membrán, přepravování proteinů a organizaci vnitřku buňky. „Nevíme, co konkrétně vedlo k těmto duplicitám genů v těchto Asgardech,“ říká Baker. „Ale víme, že v eukaryotech vedly duplicity genů k novým funkcím a zvyšování buněčné složitosti. Takže si myslíme, že to může být jeden ze způsobů, jak Asgardy vedly k inovacím, které definují eukaryota.“
Při studiu archaea vědci objevili mnoho proteinů, které byly kdysi považovány za výlučně eukaryotní, a Baker říká, že to vyvolává otázku: Jaké funkce tyto eukaryotní proteiny slouží v archaea? „Myslím, že studium těchto jednodušších forem života a jejich eukaryotních charakteristik nám o sobě hodně řekne,“ shrnul Baker.
Když to všechno shrneme, studium Asgardů pomáhá vysvětlit, jak se něco tak složitého, jako je lidská buňka, mohlo postupně vyvinout z něčeho, co se na povrchu ještě zdálo jako „jednoduchý“ mikroba. Ale nejlepší část? V severské mytologii být „Asgardianem“ znamená, že Thor je vzdálený příbuzný. A buďme upřímní, kdo by nechtěl Thora ve své rodokmenové linii?
Celá studie byla publikována v časopise Nature.
