神秘古菌「洛基」:來自深海底泥的微生物會是複雜生物的起源嗎?

2020-12-10 騰訊網

原文作者：Jonathan Lambert

之前只在DNA測序中發現過的洛基古菌（Lokiarchaea），如今被科學家成功分離並培養出來了。

生物學家首次捕獲並培養了一種極其隱秘的微生物，這種微生物與地球上所有複雜生命體的可能祖先十分相似。

古菌經常被發現於極端環境中，比如紐西蘭附近Giggenbach海底火山山頂的這些煙囪中。來源：New Zealand-American Submarine Ring of Fire 2005 Exploration, NOAA Vents Program

在bioRxiv上發布的一份預印本中1（註：該論文日前已發表於《自然》，查看更多培養神秘的古菌 |《自然》論文），來自日本的科學家稱，他們分離並培養了一種源自遠古譜系的古菌——古菌是單細胞的微生物，表面看起來很像細菌但本質卻大不相同——這種古菌之前只在基因組序列中被檢測到過。

研究人員花了十二年的時間才培育出這些來自深海底泥微生物的純菌種。這項研究讓科學家第一次見到了這種生物，它們可能完成了從簡單的類細菌細胞到真核生物的跨越——真核生物的細胞中有細胞核及其它結構，植物、真菌、人類和其它動物都屬於此類。

「這是一篇意義非凡的論文，承載了大量的工作和堅持不懈的努力。」荷蘭瓦格寧根大學的演化微生物學家Thijs Ettema評價道，「它讓我們對這個重要譜系的了解又前進了一大步。」

源自淤泥

洛基古菌這個逐漸為人了解的神秘類群，最初來自「洛基城堡」（格陵蘭沿岸的一處海底熱液噴口）附近挖出的微生物泥漿。2015年，Ettema和同事對泥漿中的微生物碎片進行了基因測序，並把它們按物種分類，拼接成了一些較為完整的基因組2，這種方法也被稱為宏基因組學。

其中有一個基因組格外引人注目。它很顯然是一種古菌，但在這個基因組中散布著許多真核細胞樣基因。對Ettema來說，這個神秘古菌或許能夠填補簡單微生物和真核生物之間的演化空白。研究者稱它為洛基古菌，取名自北歐神話中的搗蛋鬼「洛基」（Loki）。

很快，其它實驗室也陸續發現了洛基樣古菌，這些古菌共同組成了阿斯加德（Asgard）古菌門——阿斯加德是北歐神話中眾神居住的地方。儘管這類生物在系統進化樹上的確切位置還有爭議，很多研究將它們與真核生物並列來分析，或許意味著某種遠古的阿斯加德樣祖先是所有真核生物的起源。也就是說，從大熊貓到大蘑菇在內的所有生物可能都是它們的後代。

合二為一

以上觀點的支持者認為，大約二十億年前，一顆阿斯加德樣古菌吞食了一顆細菌。整個攝食過程並沒有讓古菌大快朵頤，而是催生了一種互利共贏的關係，這種現象被稱為「內共生」。這種假設認為，這顆細菌最終進化成了線粒體，變成了為細胞提供能量的細胞器，間接促使了真核生物的誕生。另一個類似的合併過程很有可能導致了細胞核的形成。

不過，並不是所有研究者都認同是阿斯加德古菌完成了這個跨越。有觀點認為，阿斯加德古菌中非常特別的真核細胞樣基因，其實是來自泥沙中的其它微生物的汙染。況且，實驗室中沒有一個實體的微生物可以作為研究對象，很難知曉那些真核細胞樣基因的實際作用是什麼，也無法了解內共生過程究竟如何是推進的。「我們已經從基因組中得到了很多信息，但如果沒有實驗室培養的純菌種，我們的認識也只能到這了。」Ettema說道。

由於阿斯加德古菌來自極端環境，且生長速率慢得驚人，之前從未有人在實驗室環境下成功培養出來過。「整個領域的人都在等著這一天的到來。」來自巴黎巴斯德研究所的演化微生物學家Simonetta Gribaldo說。

十二年磨一劍

就在阿斯加德古菌還不為人知的前幾年，日本海洋-地球科技研究所的微生物學家井町寬之（Hiroyuki Imachi）與合作者便開始了將阿斯加德古菌帶進實驗室的艱難工作。

為了培育深海沉積物中的微生物，井町寬之和同事們建造了一個模擬深海甲烷噴口的生物反應器。研究人員等待反應器中緩慢生長的微生物數目翻倍，一等就是五年。

他們隨後從反應器中採樣，將它們和營養物質一起放入玻璃試管中，又等了一年才見到一些生命跡象。基因分析顯示出了一個勉強能檢測出的洛基古菌類群。研究人員耐心哄著這些洛基古菌長到了更高數目，然後提純了樣品——它們進行一次細胞分裂都要2-3周。「這是我知道的分裂最慢的生物之一。」Ettema說。

最終，在十二年的努力之後，研究者得到了一個穩定的實驗室培養物。這個培養物中只有這種新的洛基古菌和另一種產甲烷的古菌。這兩種微生物形成了一個共生關係（之前觀察到過類似的古菌和細菌菌落）。科學家們將培養出的洛基古菌命名為Prometheoarchaeum syntrophicum。

「這是了不起的成就，」Gribaldo說，「難能可貴的是，他們在阿斯加德熱潮開始之前就開始做了。實驗做到中途的時候他們大概才意識到手上有金礦。」

「來自外太空的生物」

在顯微鏡下，這些「金礦」是直徑不到1微米的球形細胞。像其它古菌和細菌一樣，它們的內部結構相對簡單，而它們的外表面會形成絲線一樣的突起，向體外延伸。「我覺得沒有人能預料到它們會長成這樣。」Ettema說，「它像是一個外太空來的物種。」

新物種暫定名為Prometheoarchaeum syntrophicum，在掃描電鏡圖上可以看到它們有著不同尋常的突起結構。來源：H. Imachiet al.

研究者稱，他們培養的洛基古菌靠分解胺基酸產生能量，並能和共生夥伴交換儲能分子。Ettema說，之前從阿斯加德古菌的基因組中，確實能看出這方面的潛質，但沒有實驗室菌種，一切都無法證實。

最終，研究者從提純的樣品中提取DNA進行測序，相比之前從泥沙中提取許多生物的混合物，他們的結果能夠證實洛基古菌的的確確含有無數真核細胞樣基因。「樣品汙染說終於可以停息了。」Gribaldo說。

Ettema表示，這項工作為阿斯加德古菌下一階段的研究打開了大門。但他也強調，還需要培養更多的阿斯加德古菌，才能確定阿斯加德樣古菌是不是真核生物的起源，如果是，它們又是以怎樣的方式發展成了真核生物。

更多P. syntrophicum的掃描電鏡圖。來源：H. Imachiet al.

「我們沒法讓時間倒流，回去看看究竟發生了什麼。」Ettema說。我們如今看到的阿斯加德古菌與當初孕育了真核生物的微生物並不完全相同。但他認為，培育更多的阿斯加德古菌，探究那些真核細胞樣基因的作用，有助於繪製出更完整的演化樹；研究者也能夠更好地推斷出，簡單的單細胞生命最初是如何朝著複雜的生命體邁出了那巨大的第一步。

參考文獻：

1. Imachi, H.et al.Preprint at https://doi.org/10.1101/726976 (2019).

2. Spang, A.et al. Nature521, 173–179 (2015).

原文以Scientists glimpse oddball microbe that could help explain rise of complex life為標題發表在2019年8月9日的《自然》新聞上

nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-02430-w

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