Cercetătorii au izolat în laborator doi reprezentanți ai unor arhee apropiate de eucariote
O echipă de cercetători condusă de Hiroyuki Imachi și Masaru K. Nobu de la Agenția Japoneză pentru Științe Marine și Terestre (JAMSTEC), împreună cu Satoshi Nakagawa de la Universitatea Kyoto, a reușit pentru prima dată să izoleze și să cultive două tulpini de Heimdallarchaeia, un grup de arhee considerat printre cei mai apropiați reprezentanți ai arheelor înrudiți cu eucariotele – organismele din care fac parte oamenii, animalele, plantele și ciupercile. Rezultatele au fost publicate în revista Nature.
Prin examinarea directă a celulelor și a modului lor de viață, echipa a obținut cea mai clară imagine de până acum asupra felului în care ar fi putut arăta și trăi strămoșul arheal al eucariotelor.
O enigmă majoră a biologiei
Modul în care au apărut celulele eucariote complexe rămâne una dintre cele mai mari enigme ale biologiei. O ipoteză principală susține că acestea au apărut atunci când o celulă arheală din grupul Promethearchaeota a format un parteneriat strâns cu o bacterie care avea să devină ulterior mitocondria.
În 2020, echipa JAMSTEC a cultivat pentru prima dată un membru al acestui grup, tulpina MK-D1, din sedimente de mare adâncime. Pe baza structurii celulare și a metabolismului acesteia, cercetătorii au propus modelul E3 pentru originea eucariotelor. Studii ulterioare ale ADN-ului din mediu au sugerat că Heimdallarchaeia, o linie evolutivă din cadrul Promethearchaeota, reprezintă cei mai apropiați reprezentanți arheali ai eucariotelor. Unii cercetători au avansat ideea că acestea ar putea avea deja structuri interne complexe sau capacitatea de a folosi oxigenul, asemenea eucariotelor. Totuși, pentru că nu fuseseră niciodată cultivate în laborator, organizarea celulară și fiziologia lor au rămas neverificate.
Interior simplu, suprafață ramificată
Cercetătorii au constatat că structura internă a ambelor tulpini era simplă, lipsită de organite delimitate de membrane, cum ar fi nucleul. În schimb, suprafața celulară era complexă, cu multiple prelungiri lungi și ramificate ale membranei. Aceste prelungiri facilitau atașarea de alte microorganisme și formarea de parteneriate simbiotice.
Deși ambele tulpini erau microorganisme independente de oxigen (anaerobe), una dintre ele dispunea de mai multe sisteme de protecție împotriva oxigenului și putea crește chiar și atunci când la început erau prezente cantități mici de oxigen, cu condiția să fie prezente și bacterii aerobe, care utilizează oxigenul.
Parteneriate de suprafață și originile complexității
Ceea ce diferențiază eucariotele de arhee este structura lor internă complexă și simbioza internă cu o fostă bacterie, însă modul în care aceste două caracteristici au apărut rămâne neclar. Noile descoperiri sugerează, în primul rând, că strămoșul arheal al eucariotelor ar fi putut rămâne simplu în interior.
În al doilea rând, echipa a descoperit simbioze mediate de structurile de suprafață, ca primă legătură biologică între complexitatea structurală și simbioză la arhee. Aceasta susține ideea că complexitatea internă a celulelor eucariote s-a dezvoltat prin simbioză mediată de structurile de suprafață cu strămoșul bacterian al mitocondriilor.
În al treilea rând, rezultatele sugerează că acest parteneriat timpuriu ar fi putut începe într-un mediu cu niveluri scăzute de oxigen, iar partenerul ar fi putut ajuta arheea anaerobă să facă față oxigenului. Una dintre aceste arhee ar fi putut eventual să integreze în celula sa strămoșul bacterian al mitocondriilor, ceea ce a dus la schimbări majore în structura și metabolismul celular și, în cele din urmă, la evoluția unui eucariot străvechi.
Heimdallarchaeia cultivate recent oferă modele experimentale pentru studierea originii eucariotelor. Prin investigarea structurilor lor celulare și a interacțiunilor cu partenerii microbieni, cercetătorii speră să înțeleagă mai bine cum o celulă arheală simplă a dat naștere celulelor complexe ale eucariotelor.
