Vedci našli v primitívnych mikroorganizmoch zo skupiny Asgard archaea tubulínové štruktúry, ktoré sa v dôležitých črtách podobajú na mikrotubuly v bunkách zložitého života. Objav naznačuje, že časť bunkového „lešenia“, bez ktorého sa eukaryotické bunky nezaobídu, mohla mať evolučné korene hlbšie v minulosti, než sa dalo priamo pozorovať.
Tiny Tubes Reveal Clues to the Evolution of Complex Life.
Asgard archaea priťahujú pozornosť biológov už od roku 2010, keď sa ukázalo, že ich gény sa nápadne podobajú na gény eukaryotov — teda organizmov, ktorých bunky majú jadro a mitochondrie. Práve medzi eukaryoty patria ľudia, stromy aj veľryby. Podľa dnešného pohľadu sa od príbuznej línie Asgard archaea pred asi dvoma miliardami rokov oddelil predok, z ktorého napokon vznikla naša vetva života.
Dlho však nikto presne nevedel, ako tieto dávne príbuzné bunky vyzerajú a čo sa deje v ich vnútri. Ich DNA sa síce dala získať z prostredia a analyzovať, no samotné bunky boli veľmi vzácne a mimoriadne ťažko sa pestovali v laboratóriu. To ponechávalo veľký priestor na dohady o tom, či majú vo svojom vnútri niečo, čo by pripomínalo zložitejšiu organizáciu eukaryotických buniek.
Nová práca tímov Martina Pilhofera z ETH Zurich a Christy Schleper z University of Vienna ukazuje, že aspoň časť tejto vnútornej organizácie môže mať pozoruhodne starý pôvod. Vedci sa zamerali na druh Candidatus Lokiarchaeum ossiferum a na proteíny podobné tubulínu, ktoré označili ako AtubA a AtubB. Keď ich vypestovali v hmyzích bunkách, izolovali a spojili v skúmavke, proteíny sa začali pomerne rýchlo skladať do trubičiek.
To bolo dôležité najmä preto, že už skôr sa v mikroskopických snímkach týchto Asgard buniek objavovali vzácne, tenké a zakrivené útvary pripomínajúce malé rúrky. Nebolo však jasné, z čoho sa skladajú. Nové pokusy podľa autorov ukázali, že zdrojom týchto štruktúr sú práve tubulínu podobné proteíny.
Podrobnejší pohľad priniesol ešte zaujímavejší výsledok. Proteíny sa spájali podobným spôsobom ako tubulíny v eukaryotických bunkách, no namiesto bežnej väčšej stavby vytvárali menšiu trubičku z piatich „tyčí“, nie z 13, ako to často býva pri eukaryotických mikrotubuloch. Aj tieto malé trubičky však podľa výskumníkov rástli a rozpadali sa dynamicky, teda správali sa spôsobom, ktorý pripomína mikrotubuly v zložitejších bunkách.
Práve to robí objav dôležitým. Eukaryotická bunka pôsobí v porovnaní s baktériami a archaea ako úplne iný svet: má jadro, mitochondrie, membránové organely a rozsiahlu vnútornú dopravu. Takáto bunka potrebuje aj zložitý cytoskelet, teda sieť štruktúr, ktoré jej dávajú tvar, pomáhajú presúvať náklad, organizovať vnútorný priestor a pri delení rozdeľovať chromozómy. Ak sa podoba takýchto prvkov objavuje už u Asgard archaea, vedcom to môže pomôcť lepšie pochopiť, ktoré súčasti zložitej bunky vznikli skôr a ktoré prišli až neskôr.
Neznamená to však, že vedci už vyriešili pôvod eukaryotickej bunky. Samotné trubičky sa v živých bunkách Lokiarchaea zdajú byť zriedkavé. Florian Wollweber ich podľa opisu zaznamenal len v malej časti buniek, pričom musel preskúmať viac než 50 buniek, aby našiel iba niekoľko príkladov. To naznačuje, že tieto štruktúry sa nepoužívajú neustále, alebo vznikajú len za určitých podmienok.
Otvorená zostáva aj ich presná funkcia. U eukaryotov sú mikrotubuly kľúčové pri delení buniek, no u Lokiarchaea sa delenie zatiaľ nepodarilo spoľahlivo sledovať. Tieto organizmy rastú veľmi pomaly, potrebujú prostredie bez kyslíka a prítomnosť symbiotických baktérií, takže ich dlhodobé pozorovanie je technicky náročné. Kým vedci neuvidia, čo tubulínové štruktúry robia priamo v živých bunkách počas delenia alebo pri iných procesoch, ich úloha zostane neistá.
Aj tak ide o významný posun. V roku 2022 ten istý výskumný okruh ukázal, že v Asgard archaea sa nachádzajú aj proteíny podobné aktínu a že v bunkách vytvárajú filamenty. Teraz k tomu pribudli aj tubulínu podobné štruktúry. Spolu to posilňuje predstavu, že niektoré základné prvky bunkovej architektúry, ktoré dnes spájame so zložitým životom, mohli existovať už u dávnych príbuzných eukaryotov.
V praktickej rovine to znamená najmä jedno: vedci získavajú reálnejší obraz o tom, ako sa mohla krok za krokom skladať zložitosť eukaryotickej bunky. Medzi jednoduchšími prokaryotickými bunkami a eukaryotami totiž chýbajú živé „medzistupne“, ktoré by túto premenu priamo ukazovali. Asgard archaea preto predstavujú vzácne okno do obdobia, z ktorého sa inak zachovalo veľmi málo stôp.
Prečo sú Asgard archaea pre evolúciu také dôležité
Asgard archaea zmenili pohľad na strom života, pretože ich genómy nesú gény, ktoré sa dlho považovali za typické len pre eukaryoty. To z nich nerobí priamych predkov dnešných zložitých organizmov v jednoduchom zmysle slova, ale veľmi dôležitých príbuzných dávnej línie, z ktorej eukaryoty vzišli. Práve preto sa na ne vedci pozerajú ako na model, ktorý môže odhaliť skoré fázy vývoja buniek s jadrom.
Snímka zobrazuje: Cytoskeleton proteins are a vital part of eukaryotic cells. Researchers have now found similar proteins in Asgard archaea. Torsten Wittmann/Science.
V širšom kontexte ide o jednu z najväčších otvorených otázok biológie: ako vznikla bunka, ktorá je väčšia, vnútorne členitejšia a organizačne náročnejšia než baktérie a archaea. Asgard archaea neponúkajú hotovú odpoveď, ale prinášajú konkrétne biologické znaky, na ktorých sa dá tento príbeh skladať presnejšie.
Čo je cytoskelet a na čo slúži
Cytoskelet je vnútorná oporná a organizačná sieť bunky. V eukaryotických bunkách určuje tvar, pomáha premiestňovať molekuly a väčšie bunkové súčasti, podieľa sa na pohybe membrán a pri delení usmerňuje rozchod chromozómov do dcérskych buniek. Tubulín a aktín patria medzi jeho najdôležitejšie stavebné proteíny.
Snímka zobrazuje: The latest findings on Asgard archaea come from the labs of Martin Pilhofer (left) at ETH Zurich and Christa Schleper at the University of Vienna.
Ako všeobecné pozadie platí, že čím je bunka väčšia a zložitejšia, tým viac potrebuje mechanizmy na vnútornú organizáciu. Práve preto je otázka pôvodu cytoskeletu taká podstatná. Ak sa jeho jednoduchšie alebo príbuzné verzie objavujú už u archaea, môže to znamenať, že zložitosť eukaryotickej bunky nevznikla naraz, ale nadväzovala na staršie stavebné riešenia.
Výskumníci sa nespoliehali iba na mikroskopické snímky vzácnych buniek. Dva proteíny podobné tubulínu, AtubA a AtubB, pripravili vo väčšom množstve v hmyzích bunkách a potom ich skúšali skladať v laboratórnych podmienkach. Hľadanie správnych podmienok chvíľu trvalo, no napokon sa ukázalo, že tieto proteíny sa dokážu samy usporiadať do trubicovitých štruktúr.
Snímka zobrazuje: The latest findings on Asgard archaea come from the labs of Martin Pilhofer (left) at ETH Zurich and Christa Schleper at the University of Vienna.
To je dôležitý typ dôkazu: nielenže existujú príslušné gény, ale ich proteínové produkty sa správajú spôsobom, ktorý zodpovedá stavebnému prvku cytoskeletu. Zároveň treba dodať, že správanie v skúmavke nemusí úplne zodpovedať tomu, čo sa deje v živej bunke. Preto sú rozhodujúce aj ďalšie pozorovania priamo v bunkách Asgard archaea.
Čo môže tento objav znamenať pre vznik eukaryotických buniek
Objav nenaznačuje, že Asgard archaea už majú plnohodnotné eukaryotické mikrotubuly alebo rovnakú bunkovú organizáciu ako rastliny či živočíchy. Skôr ukazuje, že niektoré princípy skladania cytoskeletu mohli existovať ešte pred vznikom plne vyvinutej eukaryotickej bunky. To je pre evolučnú biológiu cenné, pretože pomáha zoradiť možné kroky v správnom poradí.
Snímka zobrazuje: In 2022, Florian Wollweber spotted something unusual in a microscope image of Asgard cells — a slender, elegantly curving structure that looked like.
Vedci sa už dlhšie snažia pochopiť, čo prišlo skôr: či rozvoj vnútornej membránovej organizácie, začlenenie mitochondrií, zmeny v tvare bunky alebo vznik zložitejšieho vnútorného transportu. Podobné nálezy samy osebe nerozhodujú celý spor, ale pridávajú pevnejší základ pre modely, ktoré rátajú s tým, že časť bunkovej mechaniky sa vyvíjala ešte pred plnou eukaryotickou zložitosťou.
Čo zatiaľ nevieme a čo bude nasledovať
Najväčšou nezodpovedanou otázkou zostáva funkcia týchto trubičiek v samotných Asgard bunkách. Môžu súvisieť s delením buniek, s tvarovaním membrán alebo s iným typom vnútornej organizácie, no zdroj zatiaľ neponúka rozhodujúci dôkaz. Keďže sú tieto štruktúry v pozorovaných bunkách zriedkavé, ich úloha môže byť viazaná len na špecifické stavy alebo fázy života bunky.
Snímka zobrazuje: Tiny Tubes Reveal Clues to the Evolution of Complex Life.
Ďalší pokrok bude závisieť od toho, či sa podarí sledovať vhodné Asgard archaea dlhodobo a priamo počas delenia. Vedcom by pomohol aj príbuzný organizmus s podobnými tubulínovými génmi, ktorý by rástol rýchlejšie a dal sa jednoduchšie pozorovať. Až takéto experimenty ukážu, či tieto malé trubičky zohrávajú v archaea podobne zásadnú úlohu, akú majú mikrotubuly v eukaryotických bunkách.
Na poskytovanie tých najlepších skúseností používame technológie, ako sú súbory cookie na ukladanie a/alebo prístup k informáciám o zariadení. Súhlas s týmito technológiami nám umožní spracovávať údaje, ako je správanie pri prehliadaní alebo jedinečné ID na tejto stránke. Nesúhlas alebo odvolanie súhlasu môže nepriaznivo ovplyvniť určité vlastnosti a funkcie.
Funkčné
Vždy aktívny
Technické uloženie alebo prístup sú nevyhnutne potrebné na legitímny účel umožnenia použitia konkrétnej služby, ktorú si účastník alebo používateľ výslovne vyžiadal, alebo na jediný účel vykonania prenosu komunikácie cez elektronickú komunikačnú sieť.
Predvoľby
Technické uloženie alebo prístup je potrebný na legitímny účel ukladania preferencií, ktoré si účastník alebo používateľ nepožaduje.
Štatistiky
Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na štatistické účely.Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na anonymné štatistické účely. Bez predvolania, dobrovoľného plnenia zo strany vášho poskytovateľa internetových služieb alebo dodatočných záznamov od tretej strany, informácie uložené alebo získané len na tento účel sa zvyčajne nedajú použiť na vašu identifikáciu.
Marketing
Technické úložisko alebo prístup sú potrebné na vytvorenie používateľských profilov na odosielanie reklamy alebo sledovanie používateľa na webovej stránke alebo na viacerých webových stránkach na podobné marketingové účely.
