Tradicionalno grupiranje životnih oblika u prokariote i eukariote revidirano je 1977. kada je karakterizacija sekvence rRNA otkrila da su arheje (tada zvane 'arhebakterije') "isto tako daleko povezane s bakterijama kao što su bakterije s eukariotima." To je zahtijevalo grupiranje živih organizama u eubakterije (sadrže sve tipične bakterije), arheje i eukariote. Ostalo je otvoreno pitanje podrijetla eukariota. U dogledno vrijeme, počeli su se prikupljati dokazi u korist arhealnog podrijetla eukariota. Od posebnog interesa bilo je otkriće da asgardske arheje imaju nekoliko stotina gena za eukariotske proteine (ESP) u svom genomu. ESP igraju ključnu ulogu u razvoju citoskeleta i karakteristika složene stanične strukture eukariota. U revolucionarnoj studiji objavljenoj 21. prosinca 2022., istraživači su izvijestili o uspješnom uzgoju obogaćene kulture nedostižnih asgardskih arheja koju su snimili pomoću krioelektronske tomografije. Uočili su da Asgardove stanice doista imaju složen citoskelet temeljen na aktinu. Ovo je bio prvi izravni vizualni dokaz arhealnog podrijetla eukariota, značajan korak u razumijevanju podrijetla eukariota.
Sve do 1977. godine oblici života na Zemlji bili su grupirani u eukariota (složeni oblici koje karakterizira uključivanje genetskog materijala stanice u dobro definiranu jezgru i prisutnost citoskeleta) i prokarioti (jednostavniji oblici života s genetskim materijalom u citoplazmi bez određene jezgre, uključujući bakterije i arhebakterije). Smatralo se da stanični eukariota evoluirao prije otprilike 2 milijarde godina, vjerojatno iz prokariota. Ali, kako su točno nastali eukarioti? Kako su složeni stanični oblici života povezani s jednostavnijim staničnim oblicima života? Ovo je bilo veliko otvoreno pitanje u biologiji.
Tehnološki napredak u molekularnoj biologiji gena i proteina pomogao je da se pronikne u srž problema kada je 1977. otkriveno da su arheje (tada nazvane 'arhebakterije')jednako daleko povezana s bakterijama kao što su bakterije eukariota'.Ranije razlikovanje oblika života na prokariote i eukariote temeljilo se na fenotipskim razlikama na razini staničnih organela. Filogenetski odnos trebao bi se umjesto toga temeljiti na široko rasprostranjenoj molekuli. Ribosomska RNA (rRNA) je jedna takva biomolekula koja je prisutna u svim samoreplicirajućim sustavima i čije se sekvence vrlo malo mijenjaju s vremenom. Analiza temeljena na karakterizaciji sekvence rRNA zahtijevala je grupiranje živih organizama u eubakterije (sadrži sve tipične bakterije), Archaea, i eukarioti1.
Nakon toga su se počeli pojavljivati dokazi o bližem odnosu između arheja i eukariota. Godine 1983. ustanovljeno je da DNA-ovisne RNA polimeraze arheja i eukariota su iste vrste; oba pokazuju zapanjujuće slična imunokemijska svojstva i oba su izvedena iz zajedničke strukture predaka2. Na temelju pretpostavljenog kompozitnog filogenetskog stabla proteinskog para, druga studija objavljena 1989. otkrila je bližu povezanost arheja s eukariotima nego s eubakterijama3. Do tog vremena, arhealno podrijetlo eukariota je utvrđeno, ali točne vrste arhea tek treba identificirati i proučiti.
Rast u genomskim studijama nakon uspjeha u projekt genoma, dao je prijeko potreban dodatak ovom području. Između 2015.-2020., nekoliko je studija pokazalo da je Asgard Archaea nose gene specifične za eukariote. Njihovi su genomi obogaćeni proteinima koji se smatraju specifičnima za eukariote. Ove su studije jasno identificirale asgardske arheje koje su genetski najbliže eukariotu zahvaljujući prisutnosti stotina gena za eukariotske proteine (ESP) u njihovom genomu.
Sljedeći korak bio je fizički vizualizirati unutarnju podrumsku strukturu asgardskih arheja kako bi se potvrdila uloga ESP-a jer se široko smatra da ESP-ovi igraju ključnu ulogu u formiranju složenih staničnih struktura. Za to su bile potrebne visoko obogaćene kulture ove arheje, ali poznato je da je Asgard nedostižan i tajanstven. uzrokujući poteškoće u uzgoju u dovoljno velikim količinama da ih se proučava u laboratoriju. Prema studiji objavljenoj nedavno 21. prosinca 2022., ova je poteškoća sada prevladana.
Istraživači su, nakon šest godina napornog rada, improvizirali tehnike i uspješno uzgojili u laboratoriju visoko obogaćenu kulturu 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', član Asgardskog tipa. Ovo je bilo izvanredno postignuće, također i zato što je istraživačima omogućilo vizualizaciju i proučavanje unutarnjih staničnih struktura Asgarda.
Krioelektronska tomografija korištena je za prikaz obogaćene kulture. Asgardove stanice imale su kokoidna stanična tijela i mrežu razgranatih izbočina. Struktura stanične površine bila je složena. Citoskelet se proteže kroz tijelo stanice. Upleteni dvolančani filamenti sadrže Lokiactin (tj. homologe aktina koje kodira Lokiarchaeota). Stoga su Asgardove stanice imale složeni citoskelet temeljen na aktinu, za koji istraživači predlažu, da je prethodio evoluciji prvih eukariota.
Kao prvi konkretan fizički/vizualni dokaz arhealnog podrijetla eukariota, ovo je izvanredan napredak u biologiji.
***
Reference:
- Woese CR i Fox GE, 1977. Filogenetska struktura prokariotske domene: primarna kraljevstva. Objavljeno u studenom 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088
- Huet, J., dr. 1983. Arhebakterije i eukarioti posjeduju DNA ovisne RNA polimeraze zajedničkog tipa. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x
- Iwabe, N., dr. 1989. Evolucijski odnos arhebakterija, eubakterija i eukariota izveden iz filogenetskih stabala dupliciranih gena. Proc. Natl Acad. Sci. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355
- Rodrigues-Oliveira, T., dr.. 2022. Aktinski citoskelet i složena stanična arhitektura u asgardskom arheonu. Objavljeno: 21. prosinca 2022. Priroda (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
***
