Japanski istraživači prvi su put u laboratoriju uzgojili dva soja arheja iz skupine Heimdallarchaeia, bliskih evolucijskih rođaka organizama kojima pripadamo i mi. Njihove su stanice iznutra jednostavne, ali s površine pružaju duge, razgranate izdanke kojima se povezuju s drugim mikrobima. Upravo bi takvi kontakti mogli pomoći objasniti nastanak složenih stanica.
Tim predvođen Hiroyukijem Imachijem i Masaruom K. Nobuom iz japanske agencije JAMSTEC sada može izravno proučavati mikroorganizme koje su znanstvenici donedavno poznavali uglavnom preko genetskih zapisa iz okoliša. Rezultati objavljeni u časopisu Nature pokazuju kako izgledaju, čime se hrane i zašto ne mogu rasti bez svojih mikrobnih partnera.
Uzgoj omogućuje provjeru ideja o podrijetlu eukariota: životinja, biljaka, gljiva i drugih organizama čije stanice imaju jezgru i unutarnje odjeljke omeđene membranama. Jedno od središnjih pitanja njihove evolucije jest kako je jednostavnija stanica uspostavila partnerstvo s bakterijom od koje su nastali mitohondriji.
Tri godine do stabilne zajednice
Polazište novog istraživanja bio je biofilm na stijenkama bušotine za proizvodnju plina na japanskom poluotoku Bōsō. Ondje izvire slana podzemna voda koja sadržava metan, a promjene razine vode povremeno izlažu mikrobnu zajednicu zraku.
Istraživači su pokušali oponašati taj okoliš u laboratoriju i postupno izdvojiti željene arheje. Tri godine nakon početnog uzorkovanja uspjeli su dobiti stabilnu kulturu soja HC1 s jednim partnerskim mikroorganizmom koji proizvodi metan. Drugi soj, SC1, uzgojen je u zajednici s dvama takvim partnerima.
Ti mikrobi rastu sporo. U opisanim uvjetima kulturi HC1 trebalo je otprilike 25 do 35 dana da dosegne najveću zabilježenu gustoću, dok je kulturi SC1 trebalo oko 60 dana. Istraživači su rijetke stanice uspjeli održati tijekom više ciklusa uzgoja, pa njihove osobine sada mogu provjeravati pokusima.
Jednostavna unutrašnjost, složena površina
Genomi arheja iz ove skupine sadržavaju gene srodne onima važnima za građu eukariotskih stanica. To je potaknulo pitanje imaju li i same već razvijene unutarnje strukture koje bi nalikovale dijelovima naših stanica.
Elektronska mikroskopija pokazala je drukčiju sliku. U sojevima HC1 i SC1 nisu pronađene trajne unutarnje membranske strukture usporedive s eukariotskom jezgrom i drugim stalnim odjeljcima. Izvana su, međutim, stanice stvarale izdanke i membranske mjehuriće. Izdanci su se fizički povezivali s partnerskim mikroorganizmima.
Pokusi su potvrdili da je to partnerstvo nužno za rast. Arheje razgrađuju peptide, kratke lance aminokiselina, a partneri sudjeluju u povezanim metaboličkim procesima. Kada su istraživači blokirali proizvodnju metana u zajednici, zaustavio se i rast proučavanih arheja.
Takva ovisnost daje konkretan način za provjeru evolucijskih zamisli. Umjesto da se bliskost različitih skupina života uspoređuje samo preko DNK, sada se može pratiti kako žive stanice uspostavljaju kontakt i kako jedna drugoj omogućuju preživljavanje. Genetske veze s tom skupinom već su bile tema istraživanja podrijetla dijelova obrambenog sustava eukariota.
Kisik je mogao učvrstiti partnerstvo
Oba nova soja žive bez kisika. Soj HC1 ipak posjeduje više sustava povezanih sa zaštitom od njegova djelovanja. U pokusima je mogao rasti uz male količine kisika kada su u zajednicu dodane i bakterije koje ga troše.
To ne znači da je HC1 počeo disati kisik poput nas. Nalazi upućuju na to da mu dodatni partneri pomažu ukloniti kisik iz okoliša, dok njegov metabolizam ostaje anaeroban. Takva bi zaštita mogla biti jedan od razloga za rano zbližavanje arheje i bakterijskog pretka mitohondrija.
Nalaz pridonosi i raspravi o ulozi kisika u nastanku složenih stanica. Blisko partnerstvo moglo je početi u okolišu s malo kisika, prije razvoja današnje unutarnje građe eukariota.
Izdanci podupiru scenarij u kojem je složenija površina stanice prethodila razvoju unutarnjih odjeljaka. Današnji sojevi, bliski srodnici eukariota, omogućuju provjeru takvih zamisli na živim stanicama. Sljedeće je pitanje kako se početni dodir i metabolička suradnja mogu razviti u trajnu zajednicu, a zatim u život jedne stanice unutar druge.
