科学家揭秘古老的古细菌如何帮助解释复杂生命的起源

2019年8月23日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，来自日本的科学家们首次捕捉到了一种非常特殊的微生物，其与可能产生地球上所有复杂生命的微生物相似，相关研究成果发表于国际杂志bioRxiv上，研究者表示，如今他们已经能从古细菌单细胞微生物的一个古老谱系中分离并培养出微生物了，这些微生物表面上看起来像细菌，但实则与只从基因组序列中发现的微生物并不相同。

图片来源： New Zealand-American Submarine Ring of Fire 2005 Exploration, NOAA Vents Program

研究人员花费了12年时间，才从深海淤泥中分离并培养出实验室的纯培养物，这让科学家们首次观察到了那些能从简单细菌样的细胞跳跃到真核生物的生物体，这些生物体具有细胞核和其它结构，其包括植物、真菌、人类和其它动物等。来自瓦赫宁根大学的进化微生物学家Thijs Ettema表示，这是一项具有里程碑意义的研究，其对于谱系研究至关重要。

混乱的起源

研究人员发现的神秘微生物称之为“Lokiarchaea”，2015年，研究者Ettema及其同事对来自沉积物中的微生物混合物中的遗传片段进行了测序，并利用宏基因组手段将其组装成为更完整的个体基因组，于是新的基因组脱颖而出了，很显然，其是古细菌中的一员，但其在整个基因组中却点缀着真核细胞样的基因，也就是说，其能够弥补简单微生物和真核生物之间的进化鸿沟；研究人员将其命名为Lokiarchaea（以北欧神话中的骗子Loki命名）。

随后不久，其他研究人员也发现了其它的Loki样古细菌，其共同形成了阿斯加德古细菌（Asgard archaea）（以北欧诸神居住的神话地区命名）；尽管这些细菌在生命进化树中的确切位置仍然存在一定争议，但将阿斯加德古细菌与真核生物结合在一起进行分析的话，就意味着一些遥远的阿斯加德样祖先能够产生所有的真核生物。

合二为一

这种观点的支持者认为，大约在20亿年前，一种阿斯加德样的古细菌吞噬了一种细菌，这种摄入并没有为其提供一顿美餐，反而产生了一种互利的关系，这种现象被称之为“内共生”（endosymbiosis），最终根据这一假说，这种细菌会进化为线粒体，其能作为细胞的能量工厂来帮助真核生物生长，而类似的合并则可能会产生第一批有细胞核的细胞。

并不是所有的研究人员都同意阿斯加德的观点，有研究人员就认为，制造阿斯加德样物种的真核样基因只是来自于其它沉积微生物的污染，如果没有在实验室中研究一种真正的生物体的话，研究人员就很难知道真核样基因到底扮演着什么样的角色，也很难理解内共生是如何产生的。来自巴斯德研究所的研究人员Simonetta Gribaldo表示，由于阿斯加德样古细菌来自于极端环境，其生长速度极其缓慢，此前并没有科学家在实验室中成功培养出这种古细菌。

图片来源：H. Imachi et al.

12年的工作

早在科学家们知晓阿斯加德古细菌之前，来自日本的研究者Hiroyuki Imachi等人就开始了艰苦的工作，最终将这种古细菌“带入”了实验室。为了从深海沉积物中培养这种微生物，研究人员创造了一种生物反应器，其能模拟一种类似于深海甲烷排放的环境，在5年的时间里，研究人员不断等待着模拟生物反应器中这种微生物的缓慢生长繁殖。

随后研究人员从反应器中提取样本，将其与营养物质一同放置在玻璃管中培养，放置大约一年后研究者才观察到其中的生命迹象，遗传分析显示，Lokiarchaea的水平较低，随后研究者对其进行诱导，2-3周后Lokiarchaea经过细胞分裂逐渐提高了其在营养物质中的水平，接下来研究者对其进行纯化。在经历了12年的研究后，研究人员创建了一种稳定的实验室培养环境，其能对Lokiarchaea鸡一种不同的产甲烷古细菌进行培养，这两种微生物能形成一种共生关系。

来自外太空的有机体

在显微镜下，研究人员能够观察到尺寸不足一微米宽的圆形细胞的存在，与其它古细菌和细菌一样，其内部结构相对简单，但外部表面却可以产生凸起样的结构，研究者表示，这或许是一种来自外太空的有机体。

研究者表示，培养出的Lokiarchaea能够通过分解氨基酸来产生能量，同时还能与共生“伙伴”交换用于携带能量的分子，研究者Ettema表示，阿斯加德古细菌的基因组或许暗藏着这些能力，但没有实验室培养的话或许无法对此进行证实。研究人员能从纯样本中提取DNA并对其进行测序，而并不是从含有大量生物体的沉积物中提取DNA，相关的研究发现将会证实，Lokiarchaea的确含有大量的真核生物样基因。

这项研究为后期研究人员深入研究阿斯加德古细菌奠定了重要基础，后期研究人员还需要培养出更多阿斯加德古细菌，以便阐明阿斯加德样古细菌是否以及如何产生真核生物的。研究者Ettema说道，我们不能指示回过头来观察发生的事情，我们今天发现的阿斯加德样古细菌与产生真核生物的微生物并不相同，因此，培养出更多阿斯加德样古细菌并深入研究真核样基因如何在进化树中绘制图谱，或许就能够帮助研究人员更好地推断出简单的单细胞有机体如何实现第一次复杂的巨大飞跃。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Hiroyuki Imachi，Masaru K. Nobu，Nozomi Nakahara， et al. Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface， bioRxiv (2019) doi：10.1101/726976

【2】Spang A， Saw JH， Jorgensen SL， et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature. 2015 May 14；521(7551)：173-179. doi： 10.1038/nature14447. Epub 2015 May 6.

【3】Jonathan Lambert. Scientists glimpse oddball microbe that could help explain rise of complex life， Nature 572， 294 (2019) doi： 10.1038/d41586-019-02430-w