Как это было: универсального общего предка бактерий и архей впервые воссоздали в лаборатории
Эволюционные биологи полагают, что бактерии и археи произошли от последнего универсального общего предка (он же LUCA). Считается, что он обитал на планете 3,5-3,8 миллиарда лет назад (в палеоархейскую эру). Окаменелых останков LUCA не сохранилось, поэтому его можно изучать только путём сравнения геномов. С помощью этого метода в 2016 году был определён набор из 355 генов, точно имевшихся у последнего универсального общего предка.
Согласно одной из гипотез, организмы LUCA эволюционировали в бактерии и археи из-за того, что их клеточная мембрана имела нестабильный липидный бислой. Однако учёные из Гронингенского и Вагенингенского университетов в Нидерландах опровергли эту гипотезу.
В ходе новой работы команда впервые создала в лабораторных условиях новую форму жизни, максимально приближенную к той, которую принято считать последними универсальным общим предком всего живого на Земле.
Авторы поясняют: согласно общепринятой теории, бактерии и археи развились благодаря процессу, который можно назвать липидным делением. У этих доменов мембраны состоят из фосфолипидов, но их молекулярная структура различна и, по сути, зеркальна. Между тем в двойной клеточной мембране LUCA миллионы лет назад были объединены оба типа липидов, то есть её состав был смешанным.
"Эта смешанная мембрана была бы менее устойчивой, чем гомогенная мембрана только из одного типа фосфолипидов, поэтому в конечном итоге произошёл раскол, в результате чего появились бактерии и археи", – поясняет молекулярный биолог Арнольд Дриссен (Arnold Driessen).
По его словам, доказательств эта гипотеза не имеет, ведь всё происходило 3,5 миллиарда лет назад. Потому-то исследователи и решили воссоздать микроорганизм со смешанной липидной мембраной в лаборатории и изучить его.
Отмечается, что подобные эксперименты проводились и раньше, однако тогда на выходе у учёных получалось добавить в бактериальную клеточную мембрану менее 1% археальных липидов, то есть смешанной такую оболочку можно было назвать с очень большой натяжкой.
В новом исследовании процент археальных фосфолипидов, который смешали с бактериальными, составил 30%. Это стало возможным благодаря двух ключевым открытиям.
"В предыдущих исследованиях мы обнаружили фермент, имеющий решающее значение для производства липидов археальной мембраны. Оно занимает три стадии, и до этого были известны только два из трёх ферментов, вовлечённых в этот процесс", – рассказывает Дриссен о первом прорыве.
Второй же заключается в том, что специалистам впервые удалось увеличить производство изопреноидов в бактерии вида E. coli (кишечная палочка). Изопреноиды – обширная группа органических соединений с регулярным строением углеродного скелета, образующихся в живых организмах из мевалоновой кислоты.
Оба открытия были использованы в работе с культурами обычной кишечной палочки.
"Мы не знали, будет ли конечный результат жизнеспособной клеткой, –говорит Дриссен. – Но в итоге всё получилось хорошо".
Благодаря тонким "настройкам", команда создала клетку, в которой фосфатидилглицерин (липидное соединение, образующее основной бислой бактериальной мембраны) был заменён археальным "эквивалентом".
"Эта бактерия росла с нормальной скоростью и была стабильной. Надёжность этих смешанных ячеек удивила нас. Мы ожидали, что у них будет больше проблем с тем, чтобы остаться в живых. Таким образом, этот результат не подтверждает гипотезу о том, что смешанная мембрана по своей природе нестабильна и может начать липидное деление", — отмечает биолог.
По его словам, археальные ферменты, из которых производятся мембранные липиды, менее специфичны в реакциях, чем их бактериальные аналоги. Они кажутся более "первичными", пишут авторы. И, по их мнению, возможно, именно эволюция этих специфичных ферментов могла стать причиной появления бактерий и архей, а также их разделения на разные домены.
Хотя учёные подчёркивают: нельзя забывать, что воссоздавался последний универсальный общей предок всё-таки на основе уже современного микроорганизма. Если этот лабораторный гибрид уютно чувствовал себя в чашке Петри и не трещал по "мембранным швам", это не означает, что такое не могло произойти миллиарды лет назад.
Получается, что эволюционным биологам ещё предстоит разгадать тайну появления бактерий и архей – либо подтвердить существующую версию, либо выдвинуть новую. Кроме того, работа по воссозданию древнейших организмов и процессов их развития будет продолжена.
Научная статья по итогам этого исследования представлена в издании PNAS.
Кстати, ранее биологи также высказали предположение, что прародителями всего живого могли быть гигантские вирусы.