Биологам потребовалось 12 лет, чтобы вырастить микроба, связанного c происхождением жизни

Ученые надеются, что архей может помочь ответить на то, как развивалась многоклеточная жизнь

Исследователи потратили более десяти лет, выращивая этот микроб, который они назвали Prometheoarchaeum syntrophicum.

В маленькой подводной лодке на глубине 2500 метров под поверхностью Тихого океана в 2006 году, микробиолог Хироюки Имачи просканировал дно океана на наличие признаков микробной жизни.

Когда подводная лодка дрейфовала над дном японской Нанкайской впадины – очагом недостаточно изученных микробов, живущих на основе метана, пузырящегося от тектонических разломов, – Имачи обнаружил гнездо маленьких моллюсков на беловатом микробном коврике, что наводит на мысль о том, что активный метан просачивается внизу. Роботизированная рука погружного аппарата поместила 25-сантиметровую трубку в черно-серый осадок, чтобы извлечь ядро ​​грязи.

Имачи и его коллегам потребовалось еще 12 лет лабораторной работы, чтобы выделить приз, который они даже не собирались найти, – одноклеточный микроб из древней родословной архей , сфера жизни, внешне похожая на бактерии. Эта находка может помочь биологам воссоздать один из величайших скачков в жизни: от простых организмов, похожих на бактерии, до более сложных эукариот, огромной группы хромосомных существ, в которую входят люди, утконосы, грибы и многие другие.  

«Терпение очень важно для успешной науки», – говорит Имачи из Японского агентства морских наук о Земле и технологий в Йокосуке. Он и его коллеги опубликовали свои результаты в Nature 23 января.

Многие ученые считают, что необычная еда начала эволюцию более сложных клеток около 2 миллиардов лет назад. Согласно теории, древний архей сожрал бактерию, которая вместо обеда вызвала симбиотические отношения в процессе, называемом эндосимбиозом(микроорганизм, живущий внутри другого организма). В конце концов, бактерия превратилась в митохондрии, производящие энергию и клеточные структуры, которые способствовали возникновению сложной жизни.

Живые остатки древних археальных линий сохраняются в самых экстремальных условиях на Земле, и ученые исследуют эти микробные горячие точки, чтобы найти подсказки о предках всех эукариот. Одним из таких мест является глубоководное дно. Генетическое секвенирование выкопанной грязи дало биологам один из способов изучения этих сообществ бактерий и архей, уникально адаптированных к холоду, без кислорода. 

Ученые стремятся выращивать культуры микробов в лаборатории, чтобы изучить, как эти организмы выглядят и как они ведут себя. Но экстремальные микробы представляют собой некоторые проблемы. По словам Масару Нобу, микробиолога из Национального института передовых технологий, просто высадить эти организмы на чашку Петри, обеспечить их питательными веществами и ждать роста, не имеет смысла, ибо нужно эффективно воссоздать экстремальную среду обитания микробов.

Поэтому Имачи, Нобу и их коллеги попытались воссоздать утечку метана в лаборатории, черпая вдохновение в биореакторе, который используется для очистки городских сточных вод. Команда закачивала газообразный метан в цилиндрическую камеру высотой до метра, выдерживая при 10 ° С и усыпанную полиуретановыми губками, которые имитируют пористый глубоководный осадок. Медленный, устойчивый поток искусственной морской воды сохранял губки насыщенными.

Затем команда вылила комок грязи из осадочного керна Нанкайского прогиба, впитала жидкий раствор в губки, сложила их в реактор – и подождала.

«Было много нервозности, – говорит Нобу о том времени в декабре 2006 года. – Мы не знали, получим ли мы то, что хотели».

Каждый год исследователи секвенировали гены микробов в губках. После нестабильной первой пары лет микробное сообщество начало стабилизироваться и расти. «Большинство организмов, которые были активны в реакторе, были и активны в естественной среде», – говорит Нобу. Со стабильным сообществом тысяч, если не десятков тысяч, различных видов микробов, на которые можно было бы опираться, команда могла бы попытаться выделить и вырастить отдельные штаммы.

Образцы из реактора были помещены в 200 стеклянных бутылок, каждая из которых была наполнена различным источником энергии и коктейлем из антибиотиков, чтобы отсеять бактерии и позволить разным археям расти.

В 2011 году команда впервые показала Эврику, обнаружив нового архея, которого они назвали MK-D1 в очень небольших количествах среди многочисленных штаммов бактерий в одной бутылке. Но каждый раз, когда команда пыталась изолировать архея в новой бутылке, микроб просто не рос. Последовали месяцы проб и ошибок. “Это было действительно неприятно”, – говорит Нобу.

Затем у исследователей возникла идея: возможно, микроб на самом деле рос, но медленными темпами из-за его глубоководного дома. «Там очень холодно, энергии не так много», – говорит Нобу.

«Ни один микроб, о котором мы знали, не рос так медленно», – говорит Нобу. «Понимание этого было откровением».

Между тем, еще одно открытие археи в 2015 году потрясло мир микробной экологии. Новая группа, получившая название архей Асгарда, была обнаружена из генетического материала, добытого в гидротермальном канале в Северном Ледовитом океане. У Асгарда много эукариотических генов, что побуждает некоторых ученых утверждать, что Асгарды – самые близкие живущие родственники древних архей, которые, возможно, породили всю сложную жизнь на Земле.

Имачи и Нобу были ошеломлены, когда ДНК тест подтвердил, что они невольно провели последние девять лет, совершенствуя свой собственный Асгард, MK-D1. 

Исследователи наконец получили стабильную культуру MK-D1 для процветания – с бактериальным партнером, в котором она нуждается, чтобы выжить – и в 2018 году впервые увидели их под микроскопом. На первый взгляд, казалось, что аккуратные, крошечные сферы вряд ли могли породить более сложные формы жизни. Но через несколько месяцев у микробов появились странные, похожие на щупальца выступы. Имачи «изначально думал, что образец загрязнен», говорит он. Но наблюдение было обоснованным, побудив исследователей предложить модель того, как эти щупальца могли поймать других микробов – вероятный первый шаг в эндосимбиозе.

Команда дала MK-D1 собственное имя, Prometheoarchaeum syntrophicum, в честь греческого бога Прометея, который, согласно мифам, открыл огонь для человечества.