Den traditionelle gruppering af livsformer i prokaryoter og eukaryoter blev revideret i 1977, da rRNA-sekvenskarakterisering afslørede, at archaea (dengang kaldet 'archaebacteria') er ''så fjernt beslægtet med bakterier, som bakterier er til eukaryoter.'' Dette nødvendiggjorde gruppering af levende organismer. til eubakterier (omfatter alle typiske bakterier), archaea og eukaryoter. Spørgsmålet om oprindelsen af eukaryoter forblev. Efterhånden begyndte beviser at bygge til fordel for eukaryoters arkæiske herkomst. Af særlig interesse var opdagelsen af, at Asgard archaea har flere hundrede af eukaryote signaturproteiner (ESP'er) gener i deres genom. ESP'er spiller en afgørende rolle i udviklingen af cytoskelet og komplekse cellulære strukturers karakteristika for eukaryoter. I en banebrydende undersøgelse offentliggjort den 21. december 2022 har forskere rapporteret vellykket dyrkning af en beriget kultur af undvigende Asgard archaea, som de afbildede ved hjælp af kryo-elektrontomografi. De observerede, at Asgard-celler faktisk havde komplekst actin-baseret cytoskelet. Dette var det første direkte visuelle bevis på eukaryoters arkæiske herkomst, et væsentligt skridt i forståelsen af eukaryoternes oprindelse.
Indtil 1977 var livsformerne på Jorden grupperet i eukaryoter (komplekse former karakteriseret ved inklusion af cellens genetiske materialer i en veldefineret kerne og tilstedeværelsen af cytoskelet) og prokaryoter (enklere livsformer med genetisk materiale i cytoplasma uden en specificeret kerne, herunder bakterier og arkæbakterier). Man troede, at cellulære eukaryoter udviklet sig for omkring 2 milliarder år siden, sandsynligvis fra prokaryoterne. Men hvordan opstod eukaryoterne præcist? Hvordan er de komplekse cellulære livsformer forbundet med de simplere cellulære livsformer? Dette var et stort åbent spørgsmål i biologi.
Teknologiske fremskridt inden for molekylærbiologi af gener og protein hjalp med at dykke ind i kernen af problemet, da archaea (dengang kaldet 'archaebacteria') i 1977 blev fundet at være ''lige så fjernt beslægtet med bakterier, som bakterier er til eukaryoter. '' Den tidligere sondring af livsformer i prokaryoter og eukaryoter var baseret på fænotypiske forskelle på niveauet af celleorganeller. Fylogenetiske forhold bør i stedet være baseret på et vidt udbredt molekyle. Ribosomalt RNA (rRNA) er et sådant biomolekyle, som er til stede i alle selvreplikerende systemer, og hvis sekvenser ændrer sig meget lidt med tiden. Analyse baseret på rRNA-sekvenskarakterisering nødvendiggjorde gruppering af levende organismer i eubakterier (omfattende alle typiske bakterier), archaeaog eukaryoter1.
Efterfølgende begynder beviser på tættere forhold mellem archaea og eukaryoter at dukke op. I 1983 blev det fundet, at DNA-afhængige RNA-polymeraser af archaea og eukaryoter er af samme type; begge viser slående ens immunokemiske egenskaber, og begge er afledt af en fælles forfædres struktur2. Baseret på et udledt sammensat fylogenetisk træ af et proteinpar, afslørede en anden undersøgelse offentliggjort i 1989 en tættere relation mellem archaea og eukaryoter end til eubakterier3. På dette tidspunkt er den arkæiske oprindelse af eukaryoter blev etableret, men eksakte arkæiske arter mangler at blive identificeret og studeret.
Vækst i genomiske undersøgelser efter succes i genom projekt, gav et tiltrængt fyld til dette område. Mellem 2015-2020 fandt flere undersøgelser, at Asgard archaea bærer eukaryote specifikke gener. Deres genomer er beriget for proteiner, der anses for at være specifikke for eukaryoter. Disse undersøgelser identificerede klart, at Asgard archaea har den nærmeste genetiske nærhed til eukaryoten i kraft af tilstedeværelsen af hundredvis af eukaryote signaturproteiner (ESP'er) gener i deres genom.
Det næste trin var fysisk at visualisere den indre kælderstruktur af Asgard archaea for at bekræfte rollen af ESP'er, som det er almindeligt hævdet, at ESP'er spiller en nøglerolle i dannelsen af komplekse cellulære strukturer. Til dette var der brug for meget berigede kulturer af denne arkæa, men Asgard er kendt for at være undvigende og mystisk. forårsager vanskeligheder ved dyrkning i stor nok mængde til at studere dem i et laboratorium. Ifølge en undersøgelse, der for nylig blev rapporteret den 21. december 2022, er denne vanskelighed nu overvundet.
Forskerne har, efter seks års hårdt arbejde, improviseret teknikker og har med succes dyrket i laboratoriet en stærkt beriget kultur af 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', et medlem af Asgard phylum. Dette var en bemærkelsesværdig præstation, også fordi dette gjorde det muligt for forskere at visualisere og studere Asgards indre cellulære strukturer.
Kryo-elektrontomografi blev anvendt til at afbilde berigelseskulturen. Asgard-cellerne havde coccoid-cellelegemer og et netværk af forgrenede fremspring. Celleoverfladestrukturen var kompleks. Cytoskelettet strakte sig gennem cellelegemerne. De snoede dobbeltstrengede filamenter omfatter Lokiactin (dvs. actin-homologer kodet af Lokiarchaeota). Asgard-celler havde således et komplekst aktin-baseret cytoskelet, som forskerne foreslår, forud for udviklingen af den første eukaryoter.
Som det første konkrete fysiske/visuelle bevis på arkæiske herkomst af eukaryoter er dette et bemærkelsesværdigt fremskridt inden for biologi.
***
Referencer:
- Woese CR og Fox GE, 1977. Fylogenetisk struktur af det prokaryote domæne: De primære kongeriger. Udgivet november 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088
- Huet, J., et al 1983. Arkæbakterier og eukaryoter besidder DNA-afhængige RNA-polymeraser af en almindelig type. EMBO J. 2, 1291-1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x
- Iwabe, N., et al 1989. Evolutionært forhold mellem arkæbakterier, eubakterier og eukaryoter udledt fra fylogenetiske træer af duplikerede gener. Proc. Natl Acad. Sci. USA 86, 9355-9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355
- Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Actin cytoskelet og kompleks cellearkitektur i en Asgard-arkæon. Udgivet: 21. december 2022. Nature (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
***
