Десять лет назад никто не знал, что археи Асгарда вообще существуют. Однако в 2015 году исследователи, изучавшие глубоководные отложения, обнаружили фрагменты генов, указывающие на новую и ранее не обнаруженную форму микробов.

С помощью компьютера исследователи собрали эти фрагменты, как кусочки пазла, чтобы составить полный геном. Только тогда они поняли, что имеют дело с ранее неизвестной группой архей.

Как и бактерии, археи являются одноклеточными организмами. Однако с генетической точки зрения между этими двумя доменами имеются существенные различия, особенно в отношении их клеточных оболочек и метаболических процессов.

После дальнейшего поиска микробиологи идентифицировали соответствующие организмы, описали их и классифицировали как отдельную подгруппу архей: археи Асгарда. Их название, взятое из небесного царства в скандинавской мифологии, отсылает к их первоначальному открытию вблизи замка Локи — черного курильщика на Срединно-Атлантическом хребте между Норвегией и Шпицбергеном.

На самом деле археи Асгарда показались исследователям просто посланными небесами: они оказались недостающим звеном между археями и эукариотами, то есть между археями и организмами, клетки которых содержат ядро, например, растениями и животными.

Древо жизни с одной ветвью меньше

В последние годы исследователи обнаружили все больше признаков тесных связей между археями Асгарда и эукариотами, и что последние могли произойти от первых. Разделение всех живых организмов на три домена: бактерии, археи и эукариоты — не выдержало этого удивительного открытия.

Некоторые исследователи с тех пор предложили рассматривать эукариот как группу внутри архей Асгарда. Это сократило бы число доменов жизни с трех до двух: археи, включая эукариот, и бактерии.

Профессор Мартин Пилхофер и его команда из Швейцарской высшей технической школы Цюриха увлечены археями Асгарда и уже несколько лет изучают эти загадочные микробы.

В статье , опубликованной в журнале Nature два года назад, исследователи ETH изучили детали клеточной структуры и архитектуры Lokiarchaeum ossiferum. Возникнув в отложениях солоноватого водного канала в Словении, этот асгардский археон был выделен исследователями в лаборатории Кристы Шлепер в Венском университете.

В этом исследовании Пилхофер и его постдокторанты Цзинвэй Сюй и Флориан Вольвебер продемонстрировали, что Lokiarchaeum ossiferum обладает определенными структурами, типичными также для эукариот. «Мы обнаружили у этого вида белок актина, который очень похож на белок, обнаруженный у эукариот, и встречается почти у всех архей Асгарда, обнаруженных на сегодняшний день», — говорит Пилхофер.

В первом исследовании ученые объединили различные методы микроскопии, чтобы продемонстрировать, что этот белок, называемый локиактином, образует нитевидные структуры, особенно в многочисленных щупальцеобразных выступах микробов. «Похоже, они формируют скелет для сложной клеточной архитектуры архей Асгарда», — добавляет Флориан Воллвебер.

В дополнение к актиновым филаментам эукариоты также обладают микротрубочками. Эти трубчатые структуры являются вторым ключевым компонентом цитоскелета и состоят из многочисленных тубулиновых белков. Эти крошечные трубочки важны для транспортных процессов внутри клетки и сегрегации хромосом во время деления клетки.

Происхождение этих микротрубочек было неясным — до сих пор. В недавно опубликованной статье в журнале Cell исследователи ETH обнаружили родственные структуры в археях Asgard и описали их структуру. Эти эксперименты показывают, что тубулины Asgard образуют очень похожие микротрубочки, хотя и меньшие, чем у их эукариотических родственников.

Однако только несколько клеток Lokiarchaeum образуют эти микротрубочки. И, в отличие от актина, эти белки тубулина появляются только у очень немногих видов архей Asgard.

Ученые пока не понимают, почему тубулины так редко встречаются у Lokiarchaea или почему они нужны клеткам. У эукариот микротрубочки отвечают за транспортные процессы внутри клетки. В некоторых случаях по этим трубкам «ходят» моторные белки. Исследователи ETH пока не наблюдали таких моторных белков у архей Asgard.

«Однако мы показали, что трубки, образованные из этих тубулинов, растут с одного конца. Поэтому мы подозреваем, что они выполняют те же транспортные функции, что и микротрубочки у эукариот», — говорит Цзинвэй Сюй, соавтор исследования Cell. Он создал тубулины в клеточной культуре с клетками насекомых и изучил их структуру.

Исследователи из областей микробиологии, биохимии, клеточной биологии и структурной биологии тесно сотрудничали в исследовании. «Мы бы никогда не продвинулись так далеко без этого междисциплинарного подхода», — подчеркивает Пилхофер с некоторой гордостью.

Был ли цитоскелет необходим для развития сложной жизни? Хотя некоторые вопросы остаются без ответа, исследователи уверены, что цитоскелет был важным шагом в эволюции эукариот.

Этот шаг мог произойти много веков назад, когда архея Асгарда оплела бактерию своими придатками. В ходе эволюции эта бактерия превратилась в митохондрию, которая служит источником энергии для современных клеток. Со временем ядро ​​и другие компартменты эволюционировали — и родилась эукариотическая клетка.

«Этот замечательный цитоскелет, вероятно, стоял у истоков этого развития. Он мог позволить археям Асгарда образовывать придатки, тем самым позволяя им взаимодействовать с бактерией, а затем захватывать и поглощать ее», — говорит Пилхофер.

Рыбалка на археи Асгарда

Теперь Пилхофер и его коллеги планируют обратить внимание на функцию актиновых филаментов и архейного тубулина, а также образующихся микротрубочек.

Они также стремятся идентифицировать белки, которые исследователи обнаружили на поверхности этих микробов. Пилхофер надеется, что его команда сможет разработать антитела, точно соответствующие этим белкам. Это позволит исследователям «ловить рыбу» специально для архей Асгарда в смешанных культурах микробов.

«У нас все еще есть много нерешенных вопросов об археях Асгарда , особенно в отношении их связи с эукариотами и их необычной клеточной биологии», — говорит Пилхофер. «Отслеживание секретов этих микробов — увлекательное занятие».