Přepíšeme učebnice biologie?

MAGAZÍN - Příroda autor: Jan Toman

Japonci vypěstovali mikroby, kteří jsou tak zvláštní, že mohou pozměnit naše teorie o vzniku složitějších buněk.

Archebakterie (archea) jsou objevovány u podmořských vulkánů

Archebakterie (archea) jsou objevovány u podmořských vulkánů,zdroj: NOAA Vents Program

Naši planetu obývá ohromné množství různě složitých organismů. Přesto mezi nimi můžeme vést dělící čáru. Na jedné straně zůstanou "mikrobi" s malou jednoduše stavěnou buňkou – bakterie a jim nepříbuzná leč podobná archea. Na druhou stranu dělení se přehoupnou všechna zvířata, rostliny a houby, stejně jako jejich jednobuněční příbuzní spadající mezi prvoky a řasy.

Všechny tyto organismy se mohou chlubit složitou buňkou obsahující jádro a je jasné, že se z mikrobů, kteří ovládali Zemi miliardy let před kýmkoli jiným, musely postupně vyvinout.

Tajemství Lokiho hradu

Otázka původu složitějších buněk, potažmo komplexních organismů, nedává vědcům spát. Důležitý krok na této cestě udělali před devíti lety, kdy se týmu evropských badatelů podařilo odebrat usazeniny z blízkosti hlubokomořského vývěru horkých vod zvaného Lokiho hrad.

V průběhu dalších let se ukázalo, že tyto usazeniny obsahují nové, dosud nepopsané, skupiny mikrobů, z nichž jedna vykázala větší genetickou příbuznost složitějším organismům než všechny dosud známé linie bakterií i archeí.

Výzkum čistě na základě genetických dat však má limity. Nikdy si například nemůžeme být jistí, jestli úseky genetické informace získané z prostředí nepatří jiné evoluční linii. Stejně tak můžeme na základě genetických dat pouze nepřímo usuzovat na fungování, chování a vzhled studovaných organismů.

Téměř deset let poté, co celý příběh začal, oznámil japonský tým, že se mu podařilo příslušné mikroby vypěstovat v laboratoři. Ti jsou přitom tak zvláštní, že nás takřka jistě donutí přepsat teorie o vzniku složitějších buněk.

Tři domény pozemského života

Buňky mnohobuněčných živočichů, rostlin, hub a jejich jednobuněčných příbuzných se vyznačují kromě značné velikosti hlavně přítomností jádra, různých membránových struktur, podpůrného bílkovinného lešení a několika typů buněčných orgánů neboli organel.

Mezi organelami jsou nejzajímavější a z evolučního hlediska nejdůležitější mitochondrie. Někdy se nazývají "buněčné elektrárny ".

Mitochondrie byly původně samostatnými organismy, bakteriemi dýchajícími kyslík, které se dostaly do buněk našich předků a navázaly s nimi vzájemně prospěšný symbiotický vztah. Na základě studia genetické informace přitom víme, že těmito předky byly organismy z blízkosti dnešních archeí.

d41586-019-02430-w_17055868

Sken nově vypěstovaného organismu, který dostal jméno Prometheoarchaeum syntrophicum,zdroj:H. Imachi et al.

Zrod prvních složitějších, odborně řečeno eukaryotických, buněk tak můžeme popsat jako spojení dvou jednodušších, prokaryotických, buněk v organismus vyššího řádu.

Díky spojenectví s bakteriemi využívajícími kyslík získaly první eukaryotické buňky bohatý zdroj energie, díky kterému si mohou dovolit přesné dělení svých buněk, vytváření velkých panožek (orgánů sloužících k pohybu), nebo pohlcování cizích organismů. Není ale jasné, jak spojení archeí s bakteriemi nastalo.

Podle jedné skupiny teorií se předek mitochondrie dostal do archeální buňky jako kus potravy nebo parazit a tam se mu podařilo přežít. Podle dalších konceptů symbiont chránil archeální buňky před toxickými vlivy kyslíku, nebo v jejich vztahu od počátku hrála prim nějaká jiná forma volné spolupráce.

A to jsme vynechali hypotézy, podle kterých se přerodu prokaryotických buněk v eukaryotické účastnili ještě jiné organismy, nebo další, ještě exotičtější koncepty.

Jediným způsobem, jak záhadu rozseknout, tak patrně zůstává nález nejbližších žijících mikrobiálních příbuzných eukaryotických organismů. Právě jejich ekologické strategie a symbiotické vztahy by mohly napovědět, jak se z prokaryotických buněk vyvinuly eukaryotické.

Japonský triumf

Tím se obloukem vracíme k linii archeí objevené před devíti lety na dně Atlantiku. Ta po svém nalezišti, horkém vývěru Lokiho hrad, a jeho „severské“ poloze v blízkosti Islandu dostala název Lokiarcheota. V průběhu následujících let vědci popsali celou řadu příbuzných linií, takže se dnes mluví o celé skupině eukaryotům příbuzných archeí nazvané po sídle severských bohů Asgard.

Kamenem úrazu však je, že o těchto liniích máme pouze kusé informace založené na čtení genetického materiálu odebraného z mořských usazenin. Jinými slovy, až donedávna jsme neměli ani ponětí, jak tyto organismy vypadají a jaké navazují ve svém prostředí vztahy. To se však nyní mění. Skupina japonských vědců totiž oznámila, že se jim podařilo archea ze skupiny Lokiarcheota vypěstovat v laboratoři.

Vědci uvádějí v rukopisu, který čeká v archivu bioRxiv na publikování odborným časopisem, že celý projekt zabral bezmála dvanáct let. Pokud se divíte, jak mohl výzkum trvat déle, než kolik času uplynulo od objevení studované skupiny, odpověď je nasnadě. Projekt, při kterém se nakonec podařilo vypěstovat kulturu lokiarcheot, začal zcela nezávisle.

Japonci se pokusili napodobit podmínky u podmořských vývěrů horkých vod nasycených metanem v mořské propadlině Nankai, aby mohli pěstovat a zkoumat místní organismy v laboratoři. Až později mezi organismy v aparatuře detekovali také Lokiarcheota. Pěstovat právě jejich zástupce se ale záhy ukázalo jako téměř nadlidský úkol.

Lokiarcheota totiž oproti mikrobům, kteří ochotně rostou na agarových plotnách, vykazují extrémně nízkou rychlost množení. Na rozdíl od standardních několika hodin se 30 až 60 dní jen aklimatizovala a další tři měsíce pomalu zrychlovala množení.

 Ani za ideálních podmínek, při kterých výzkumníci antibiotiky hubili konkurenční bakterie, ale Lokiarcheota nedosáhla vyšší rychlosti dělení než jednou za dva až tři týdny. Kultivace kmenu archeí do koncentrací použitelných v experimentálním výzkumu nejprve v aparatuře a poté v izolovaných baňkách se živným médiem tak zabrala několik let.

Nejdivnější mikrobi

Vypěstovaný kmen lokiarcheot dostal jméno Prometheoarchaeum syntrophicum. Jsou to malé kulovité buňky bez nápadných organel vyhledávající bezkyslíkatá prostředí. Z tvarového hlediska jsou ale překvapivě komplexní. Vytvářejí dlouhé, často větvené, výhřezy a řetízky puchýřků. Rovněž vylučují lepkavou polysacharidovou hmotu.

Prometheoarchaeum se může chlubit celou řadou genů ovlivňujících fungování membrán a vytváření váčků či buněčného podpůrného lešení, které jinak nalezneme pouze u eukaryot. Izolování (až na symbionty) čisté kultury jeho buněk přitom pomohlo vyvrátit pochyby, zda se tyto geny mezi materiál už dříve odebraný z prostředí jen nepřimíchaly.

Z evolučního hlediska není bez zajímavosti, že ke svému růstu Prometheoarchaeum potřebuje symbiotického partnera – buď bakterii Halodesulfovibrio, nebo archea Methanogenium. Těmto pomocníkům prokazatelně dodává vodík a zbytky kyseliny mravenčí, které získává rozkladem aminokyselin.

Na oplátku se archeálnímu organismu dostává různých důležitých organických látek, které sám neumí vytvořit.

Z genetických dat víme, že jsou různí zástupci skupiny Asgard metabolicky velmi všestranní a využívají plejádu dalších způsobů látkové přeměny. Zmíněný rozklad aminokyselin ale patrně bude původním způsobem, pomocí kterého získávali obživu jejich předci.

Na základě těchto objevů japonští badatelé formulovali novou teorii, jak se mohly vyvinout eukaryotické buňky. Na počátku podle nich stál podobný symbiotický vztah, jaký pozorujeme u prometheoarchea. Spolu s okysličováním planety se však cesty dnešních lokiarcheot a předků eukaryot rozešly.

Archeální předkové eukaryot se posouvali usazeninami k hranici mezi kyslíkatým a bezkyslíkatým prostředím – právě sem totiž dopadalo nejvíce živin. Ve stejných vrstvách ale začal naše předky ohrožovat toxický kyslík. Řešením tohoto problému bylo navázání dalšího symbiotického vztahu, tentokrát s bakteriálním předkem mitochondrie.

Větší účinnosti dosahovala tato spolupráce v aspoň polouzavřených prostředích vymezených buněčnými výrůstky. Ty mohly srůstat, takže předkové mitochondrií zůstávali zavření uvnitř archeálních buněk.

Předkové eukaryot tak mohli zapojit symbionty do vlastního těla i bez energeticky náročného pohlcování materiálu využívaného dnešními prvoky. Postupně se vyvíjející mitochondrie převzaly funkce ostatních symbiontů a následoval rozvoj ostatních eukaryotických vlastností.

Zda eukaryoty vznikly tímto způsobem, ukážou až další studie. Na základě nových dat se však zdá čím dál pravděpodobnější, že ve vzniku složitějších buněk hrály důležitou roli spíše symbiotické vztahy než náhody typu občasného přežití pozřené bakterie.

Japonští výzkumníci pěstují i ostatní linie ze skupiny Asgard a několik dalších dosud nekultivovaných mikrobiálních organismů. Další překvapení tak na sebe možná nenechají dlouho čekat.

Zdroj: Imachi H, Nobu MK, Nakahara N, ... & Matsui Y (2019): Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface. bioRxiv, online.

Tagy: mikroby věda a poznání vědecký výzkum a studie mikrobiologie vývoj života