科學家揭秘古老的古細菌如何幫助解釋複雜生命的起源

2020-11-25 生物谷

2019年8月23日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，來自日本的科學家們首次捕捉到了一種非常特殊的微生物，其與可能產生地球上所有複雜生命的微生物相似，相關研究成果發表於國際雜誌bioRxiv上，研究者表示，如今他們已經能從古細菌單細胞微生物的一個古老譜系中分離並培養出微生物了，這些微生物表面上看起來像細菌，但實則與只從基因組序列中發現的微生物並不相同。

圖片來源： New Zealand-American Submarine Ring of Fire 2005 Exploration, NOAA Vents Program

研究人員花費了12年時間，才從深海淤泥中分離並培養出實驗室的純培養物，這讓科學家們首次觀察到了那些能從簡單細菌樣的細胞跳躍到真核生物的生物體，這些生物體具有細胞核和其它結構，其包括植物、真菌、人類和其它動物等。來自瓦赫寧根大學的進化微生物學家Thijs Ettema表示，這是一項具有裡程碑意義的研究，其對於譜系研究至關重要。

混亂的起源

研究人員發現的神秘微生物稱之為「Lokiarchaea」，2015年，研究者Ettema及其同事對來自沉積物中的微生物混合物中的遺傳片段進行了測序，並利用宏基因組手段將其組裝成為更完整的個體基因組，於是新的基因組脫穎而出了，很顯然，其是古細菌中的一員，但其在整個基因組中卻點綴著真核細胞樣的基因，也就是說，其能夠彌補簡單微生物和真核生物之間的進化鴻溝；研究人員將其命名為Lokiarchaea（以北歐神話中的騙子Loki命名）。

隨後不久，其他研究人員也發現了其它的Loki樣古細菌，其共同形成了阿斯加德古細菌（Asgard archaea）（以北歐諸神居住的神話地區命名）；儘管這些細菌在生命進化樹中的確切位置仍然存在一定爭議，但將阿斯加德古細菌與真核生物結合在一起進行分析的話，就意味著一些遙遠的阿斯加德樣祖先能夠產生所有的真核生物。

合二為一

這種觀點的支持者認為，大約在20億年前，一種阿斯加德樣的古細菌吞噬了一種細菌，這種攝入並沒有為其提供一頓美餐，反而產生了一種互利的關係，這種現象被稱之為「內共生」（endosymbiosis），最終根據這一假說，這種細菌會進化為線粒體，其能作為細胞的能量工廠來幫助真核生物生長，而類似的合併則可能會產生第一批有細胞核的細胞。

並不是所有的研究人員都同意阿斯加德的觀點，有研究人員就認為，製造阿斯加德樣物種的真核樣基因只是來自於其它沉積微生物的汙染，如果沒有在實驗室中研究一種真正的生物體的話，研究人員就很難知道真核樣基因到底扮演著什麼樣的角色，也很難理解內共生是如何產生的。來自巴斯德研究所的研究人員Simonetta Gribaldo表示，由於阿斯加德樣古細菌來自於極端環境，其生長速度極其緩慢，此前並沒有科學家在實驗室中成功培養出這種古細菌。

圖片來源：H. Imachi et al.

12年的工作

早在科學家們知曉阿斯加德古細菌之前，來自日本的研究者Hiroyuki Imachi等人就開始了艱苦的工作，最終將這種古細菌「帶入」了實驗室。為了從深海沉積物中培養這種微生物，研究人員創造了一種生物反應器，其能模擬一種類似於深海甲烷排放的環境，在5年的時間裡，研究人員不斷等待著模擬生物反應器中這種微生物的緩慢生長繁殖。

隨後研究人員從反應器中提取樣本，將其與營養物質一同放置在玻璃管中培養，放置大約一年後研究者才觀察到其中的生命跡象，遺傳分析顯示，Lokiarchaea的水平較低，隨後研究者對其進行誘導，2-3周後Lokiarchaea經過細胞分裂逐漸提高了其在營養物質中的水平，接下來研究者對其進行純化。在經歷了12年的研究後，研究人員創建了一種穩定的實驗室培養環境，其能對Lokiarchaea雞一種不同的產甲烷古細菌進行培養，這兩種微生物能形成一種共生關係。

來自外太空的有機體

在顯微鏡下，研究人員能夠觀察到尺寸不足一微米寬的圓形細胞的存在，與其它古細菌和細菌一樣，其內部結構相對簡單，但外部表面卻可以產生凸起樣的結構，研究者表示，這或許是一種來自外太空的有機體。

研究者表示，培養出的Lokiarchaea能夠通過分解胺基酸來產生能量，同時還能與共生「夥伴」交換用於攜帶能量的分子，研究者Ettema表示，阿斯加德古細菌的基因組或許暗藏著這些能力，但沒有實驗室培養的話或許無法對此進行證實。研究人員能從純樣本中提取DNA並對其進行測序，而並不是從含有大量生物體的沉積物中提取DNA，相關的研究發現將會證實，Lokiarchaea的確含有大量的真核生物樣基因。

這項研究為後期研究人員深入研究阿斯加德古細菌奠定了重要基礎，後期研究人員還需要培養出更多阿斯加德古細菌，以便闡明阿斯加德樣古細菌是否以及如何產生真核生物的。研究者Ettema說道，我們不能指示回過頭來觀察發生的事情，我們今天發現的阿斯加德樣古細菌與產生真核生物的微生物並不相同，因此，培養出更多阿斯加德樣古細菌並深入研究真核樣基因如何在進化樹中繪製圖譜，或許就能夠幫助研究人員更好地推斷出簡單的單細胞有機體如何實現第一次複雜的巨大飛躍。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】Hiroyuki Imachi，Masaru K. Nobu，Nozomi Nakahara， et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface， bioRxiv (2019) doi：10.1101/726976

【2】Spang A， Saw JH， Jorgensen SL， et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature. 2015 May 14；521(7551)：173-179. doi： 10.1038/nature14447. Epub 2015 May 6.

【3】Jonathan Lambert. Scientists glimpse oddball microbe that could help explain rise of complex life， Nature 572， 294 (2019) doi： 10.1038/d41586-019-02430-w

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