“Asgård-mikrober” visar hur komplexa celler bildades

I en ny studie publicerad i Nature presenterar en internationell forskargrupp ledd av Thijs Ettema vid Uppsala universitet upptäckten av en ny grupp mikroorganismer. Studien bidrar med nya detaljer om hur det gick till för flera miljarder år sedan när de komplexa celltyper som bygger upp växter och svampar, men även djur och människor, gradvis utvecklades från enklare mikrobiella förfäder.

Livet på vår planet kan delas in i tre huvudgrupper. Två av grupperna består av små mikroorganismer, bakterier och arkéer. Den tredje gruppen kallas eukaryoter och rymmer också många mikroorganismer – som amöbor och kiselalger – men också allt liv vi kan se med blotta ögat – som människor, djur, växter och svampar. Cellerna hos bakterier och arkéer är generellt små och enkla, medans eukaryoter består av stora och komplexa celltyper. Hur dessa mer avancerade celler uppstod har länge varit ett mysterium för forskarvärlden, men nu har en internationell grupp forskare under ledning från Uppsala universitet identifierat en grupp av mikroorganismer som ger en unik inblick i den evolutionära övergången från enkla till komplexa celler.

Tack vare den hyllade biologen Carl Woeses banbrytande arbete, har det varit känt sedan 70-talet att eukaryoter delar en gemensam förfader med arkéer. Det var också tydligt att symbios - en process som involverar en intim samverkan mellan två celltyper - spelade en viktig roll i eukaryoternas uppkomst. De flesta forskare delar uppfattningen att en symbios där en arkéell värdcell tog upp en bakterie gav upphov till eukaryoterna. Om denna symbios möjliggjordes av komplexa celler, eller om den snarare var en förutsättning för dem, förblev en öppen fråga.

I en ny artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature rapporterar forskare från Uppsala universitet tillsammans med medarbetare från USA, Japan, Danmark och Nya Zeeland upptäckten av en ny grupp av arkéer, Asgård-arkéer, som avslöjar viktiga detaljer om hur eukaryota celler utvecklade sin mer avancerade struktur.

- Utvecklingen av komplexa celltyper är en lång och komplicerad process som vi har dålig förståelse för. Genom att använda nya metoder för att få information om arvsmassan från mikrober som inte kan odlas i laboratoriet identifierade vi en ny grupp arkéer som är besläktad med den värdcell som eukaryota celler har utvecklats från. Det är mycket spännande tider, säger Thijs Ettema vid institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet, som leder forskargruppen som genomförde undersökningen.

År 2015, publicerade Thijs Ettema och kollegor en uppmärksammad studie där genetiska data från "Loke" beskrevs, en arké som lever i havsbotten och representerade den grupp mikroorganismer som är närmast släkt med komplext cellulärt liv. I den senaste studien, som bekräftar de tidigare fynden, beskrivs flera nya arkéer som är släkt med Loke.

- De här organismerna är våra närmaste mikrobiella släktingar, och vi vet nästan ingenting om dem. De nya metoderna tillåter oss att ta en första genetisk tjuvtitt, säger Thijs Ettema.

- Våra resultat bygger på analys av genetiskt material som erhålls direkt från omgivningen. Vi har faktiskt aldrig sett cellerna vi arbetar med, säger Jimmy Saw, forskare vid institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet, och delad försteförfattare till artikeln.

- Vi döpte dessa nya arkéer till Tor, Oden och Heimdall efter Asagudarna, och tillsammans med Loke utgör de Asgårdsgruppen. Intressant nog påträffas de nya arkéerna i olika miljöer över hela världen och inte bara i djuphavet som Loke. Hittills är de vanligast i sediment, säger Eva Fernandez-Caceres vid Uppsala Universitet, en annan av studiens försteförfattare.

Studien ger starka belägg för att eukaryoter utvecklats från en delad släktlinje med Asgård-arkéerna.

- Asgård-arkéer bildar en välunderstödd grupp tillsammans med eukaryoter i livets träd. Detta tyder på att de delar ett gemensamt ursprung. Studien var komplicerad, och vi skulle helt klart ha haft nytta av mer data. Detta är inte slutet på historien, snarare tvärtom! säger Katarzyna Zaremba-Niedzwiedzka vid Uppsala universitet, en av studiens försteförfattare.

Men den största överraskning kom när geninnehållet från Asgård-arkéerna analyserades i detalj.

- Vi fann att de här arkéerna delar många gener exklusivt med eukaryoter, inklusive flera gener som är inblandade i bildandet av strukturer som ger eukaryota celler deras komplexa karaktär. Sådana gener hade hittills aldrig hittats i bakterier eller andra arkéer, vilket tyder på att Asgård-arkéer redan var grundmålade för att bli komplicerade. Dock är bilden långt ifrån tydlig om exakt hur detta kan ha hänt, säger Anja Spang, forskare vid institutionen för cell- och molekylärbiologi, Uppsala universitet.

Att studera Asgård-arkéer i mer detalj är en prioriterad målsättning för Thijs Ettema och hans forskargrupp. Den aktuella studien visar att de här arkéerna kan hittas i många fler miljöer, inte bara i havsbotten som man trodde förut. Det förenklar betydligt för fortsatta studier.

- Det skulle vara bra om vi kunde isolera eller odla Asgård-celler och studera dem i mikroskop. Jag är övertygad om att det kommer att avslöja fler viktiga ledtrådar om hur komplexa celler utvecklats. I slutändan kommer vår mikrobiella härkomst att avslöjas, säger Thijs Ettema.

För mer information, vänligen kontakta: Thijs Ettema, e-post: thijs.ettema@icm.uu.se, telefon: +46 (0) 70 5384219.

Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity, Nature, DOI: 10.1038/nature21031
http://dx.doi.org/10.1038/nature21031