Вы когда-нибудь задумывались о том, что привычное деление живого мира на растения, животных и бактерии может быть не совсем верным? Оказывается, существует целая группа микроорганизмов, археи Asgard, чье открытие перевернуло наши представления об эволюции и происхождении сложных клеток, из которых состоим мы с вами.
Еще совсем недавно, каких-то десять лет назад, о существовании этих таинственных созданий никто и не подозревал. Лишь в 2015 году, анализируя донные отложения в глубинах океана, ученые наткнулись на генетические обрывки, указывающие на присутствие чего-то совершенно нового. Подобно старательным археологам, собирающим осколки древних ваз, исследователи, вооружившись мощными компьютерами, восстановили из этих фрагментов геном. И вот тут-то и стало ясно: перед ними — неизведанный мир архей.
Археи, как и бактерии, одноклеточны. Но не стоит их путать! Генетически они сильно отличаются, особенно в устройстве клеточных оболочек и метаболизме. Последующие поиски позволили микробиологам не только идентифицировать этих существ, но и выделить их в отдельную подгруппу — археи Asgard. Название выбрано не случайно: Asgard в скандинавской мифологии — обитель богов. А найдены эти микробы были неподалеку от Замка Локи — гидротермального источника в Атлантическом океане. Кажется, само Провидение направило ученых к этому открытию.
На криотомограммах Ca. L. ossiferum показывают различные цитоскелетные элементы в дополнение к локиактину. (A-D) Криотомографический срез (A) и соответствующая сегментация (B), показывающая длинную трубоподобную структуру диаметром 12-14 нм, охватывающую все тело клетки Ca. L. ossiferum. (C) и (D) показывают увеличенные виды концов трубки и потенциальных структур, соединяющих трубку с клеточной оболочкой. (E и F) Криотомограмма (E) и сегментация (F) трубчатой структуры (диаметр 16-18 нм), соединенной с клеточной оболочкой. (G и H) Пример тонкой (∼9 нм) трубчатой структуры в мембранных трубках клеточных выпячиваний. (A, C-E и G) Оранжевые наконечники стрелок указывают на филаменты локиактина, зеленые наконечники стрелок — на другие тонкие трубчатые структуры. Масштабные линейки: 100 нм. Цитирование: Wollweber et al., Microtubules in Asgard archaea, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.02.027
Автор: Wollweber et al.Источник: www.cell.com
Разрушители шаблонов: как Asgard изменили родословную жизни
Именно Asgard стали тем самым недостающим звеном между простыми археями и эукариотами — организмами, чьи клетки имеют сложное строение и содержат ядро (к ним относятся, например, растения и животные). Это открытие поставило под сомнение привычную схему деления всего живого на три домена: бактерии, археи и эукариоты.
Некоторые ученые даже предложили пересмотреть эту классификацию и включить эукариот в состав Asgard. Тогда на древе жизни останется всего две основные ветви: бактерии и археи (включая, разумеется, и нас с вами, эукариот).
Профессор Мартин Пилхофер из Высшей технической школы Цюриха уже несколько лет занимается изучением Asgard. И вот, недавно, его команда смогла приоткрыть завесу тайны над внутренним устройством этих микробов. Исследовав Lokiarchaeum ossiferum, выделенного из донных отложений в Словении, ученые обнаружили у него структуры, характерные для эукариот. Например, белок актин, очень похожий на тот, что есть в наших клетках. Этот белок формирует нити, образующие своего рода скелет щупальцевидных выростов клетки Asgard.
Тубулины Asgard образуют эукариотоподобные гетеродимеры. (A) Крио-ЭМ анализ гетеродимера AtubA/B в присутствии GTP. Показаны 2D-классы, карты плотности (представлены с точностью +-3,5 σ) и атомная модель гетеродимера. Плотность, напоминающая GTP, была обнаружена на внутридимерном интерфейсе, а также в нуклеотид-связывающем кармане AtubA. (B) Наложение гетеродимера AtubA/B с неполимеризованным эукариотическим α/β-тубулином (PDB: 7QUD)44, выровненным по AtubB. Показаны значения RMSD для выровненных пар, что свидетельствует о близком структурном сходстве двух неполимеризованных гетеродимеров тубулина. Обратите внимание, что при полимеризации димер переходит из изогнутой в прямую конформацию. (C) Сравнение нуклеотид-связывающих карманов на внутридимерном интерфейсе выявляет неактивируемую петлю T7 в AtubA/β-тубулине. Ключевой остаток петли Т7 в AtubA, β-тубулине и BtubA выделен жирным шрифтом. Положение нуклеотида выделено серым цветом. (D) Крио-ЭМ анализ гетеродимера AtubA/B в присутствии GTP; обратите внимание, что на внутридимерном интерфейсе нуклеотид не обнаружен. Карты плотности представлены с точностью +-3,4 σ. (E) Вестерн-блоты эксперимента по совместной экспрессии и вытягиванию AtubA/B/B2 в клетках насекомых. После совместной экспрессии всех трех тубулинов AtubAHis6 был повторно выделен путем аффинной очистки, показавшей, что AtubA преимущественно связывается с AtubB2 в присутствии AtubB (последняя полоса). Приведенные результаты являются репрезентативными для двух независимых экспериментов. (F) Схема, показывающая, что свободный AtubB2 конкурентно связывается с предварительно сформированным димером AtubA/B, образуя гетеродимер AtubA/B2 путем высвобождения свободного AtubB. Учитывая, что AtubB2 не может связывать GTP и экспрессируется на более низком уровне, AtubB2 может модулировать сборку AtubA/B. Цитирование: Wollweber et al., Microtubules in Asgard archaea, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.02.027
Автор: Wollweber et al.Источник: www.cell.com
Но это еще не все. В эукариотических клетках есть еще один важный элемент — микротрубочки, состоящие из белка тубулина. Они отвечают за транспорт веществ внутри клетки и за разделение хромосом при делении. Происхождение этих микротрубочек долго оставалось загадкой. И вот, в ходе новых исследований, ученые обнаружили подобные структуры и у Asgard! Тубулины Asgard образуют микротрубочки, хоть и меньшего размера, чем у эукариот.
Правда, такие тубулины встречаются далеко не у всех Asgard. И пока не ясно, какую именно функцию они выполняют. Возможно, они тоже участвуют в транспорте веществ, как и микротрубочки эукариот.
От простого к сложному: как Asgard могли дать начало новой жизни
Эти открытия заставляют задуматься: а не стали ли Asgard тем самым «толчком», который привел к появлению сложных клеток? Не исключено, что когда-то, в далеком прошлом, один из архей Asgard «захватил» бактерию своими выростами. Со временем эта бактерия превратилась в митохондрию — энергетическую станцию наших клеток. А потом появилось и ядро, и другие органеллы. Так, шаг за шагом, и возникла эукариотическая клетка.
Как считает профессор Пилхофер, цитоскелет Asgard мог сыграть ключевую роль в этом процессе. Именно он позволил этим археям формировать выросты, захватывать бактерии и давать начало новой, более сложной форме жизни.
AtubA/B быстро собираются in vitro и формируют редкие цитоскелетные структуры in vivo. (A) Интерференционная отражательная микроскопия (ИОМ) полимеризации AtubA/B в присутствии 1 мМ GpCpp, показывающая поле зрения ИОМ в 0 с (вверху) и 180 с (внизу). Масштабная линейка: 10 мкм. Наконечники стрелок указывают на растущий конец филамента. (B) Увеличение того же филамента, указанного в (A), показанного в разные моменты времени (масштабная линейка: 5 мкм) и в виде кимограммы ниже. Стрелки указывают на растущий конец филамента. (C) Временные изображения (масштабная линейка: 5 мкм) и соответствующая кимограмма филамента, растущего с обоих концов с разной скоростью. Стрелки указывают на концы филаментов на изображениях (синий: медленный конец; красный: быстрый конец); наклоны пунктирных линий на кимограмме соответствуют соответствующей скорости роста. (D) Наблюдаемые скорости роста (n = 62). Данные можно разделить на две группы (обозначены красным/синим цветом), напоминающие наблюдения в (C), со средними скоростями роста (+- SD) 1,6 +- 0,4 мкм/мин (n = 7) и 6,3 +- 1,3 мкм/мин (n = 55). (E) Временные изображения, показывающие случаи смятия и связывания филаментов (обозначены желтыми или белыми наконечниками стрел, соответственно). Масштабные линейки: 5 мкм. (F-H) Ультраструктурно-расширительная микроскопия (U-ExM) Ca. L. ossiferum (звездочками отмечены совместно культивируемые бактерии и археи) в сочетании с маркировкой объемного протеома NHS-эстером и окрашиванием иммунофлуоресценции после расширения с использованием антител к локиактину (F) или AtubA/B (G, контроль вторичных антител показан в H). Показаны проекции максимальной интенсивности. Филаментные структуры AtubA/B были обнаружены в подмножестве преимущественно вытянутых локиархейных клеточных тел (11/523 клеток в культурах из ранней логарифмической фазы роста). В отличие от этого, филаменты локиактина (F) были обнаружены во всех клетках и во всех локиархейных выступах. Масштабные линейки: 1 мкм (биологическая шкала). Цитирование: Wollweber et al., Microtubules in Asgard archaea, Cell (2025), https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.02.027
Автор: Wollweber et al.Источник: www.cell.com
Что дальше? Охота на Asgard продолжается
Сейчас ученые планируют детально изучить функции актиновых филаментов и тубулиновых микротрубочек у Asgard. Кроме того, они пытаются идентифицировать белки, находящиеся на поверхности этих микробов. Это позволит разработать антитела, с помощью которых можно будет «вылавливать» Asgard из смешанных культур микроорганизмов.
Как говорит профессор Пилхофер, «у нас еще много вопросов без ответа об археях Asgard, особенно в отношении их связи с эукариотами и их необычной клеточной биологии». Но одно можно сказать наверняка: изучение этих древних микробов — это увлекательное путешествие вглубь истории жизни на Земле, которое может изменить наше представление о самих себе. Ведь, возможно, в наших клетках до сих пор живут отголоски тех самых Asgard, которые заложили фундамент для всей сложной жизни, существующей на нашей планете.
