Архейным предкам эукариотов разрешили быть толерантными к кислороду

Благодаря секвенированию и анализу новых геномов, ученым из США удалось воссоздать детали метаболизма асгардархей — потенциальных предков эукариотов. Результаты этой работы, опубликованной в Nature, говорят в пользу того, что они могли лучше переносить присутствие кислорода, чем это считалось ранее. Это, в свою очередь, делает более правдоподобной их встречу с с кислородолюбивыми альфапротеобактериями — будущими митохондриями, симбиоз с которыми и положил начало эукариотам.

Современная симбиотическая теория происхождения эукариотов предполагает, что они возникли, когда древняя архея «приютила» протеобактерию — будущую митохондрию, научившуюся эффективно использовать кислород для получения энергии. Самыми близкими кандидатами на роль хозяина считаются асгардархеи, а среди них — класс Heimdallarchaeia. Однако до сих пор неясно, были ли они строго анаэробными микробами, или уже кислородоустойчивыми. Недавние работы приводят доказательсва в пользу того, что предковые археи были строго анаэробными. Но если это принять, остается непонятным, как два предковых микроорганизма оказались в непосредственной близости, учитывая, что один из них живет в среде с кислородом, а другой его не переносит. До последнего момента геномов линий, наиболее близких к предполагаемому архейному предку, было недостаточно для того, чтобы уверенно реконструировать портрет этого предка.

Группа ученых под руководством Бретта Бейкера (Brett Baker) из Техасского университета в Остине провела крупномасштабное метагеномное секвенирование морских отложений, собранных около побережий Китая и Эквадора и в итоге собрала 404 новых генома асгардархей. Это значительно расширило существующую коллекцию: помимо прочего авторы добавили в нее 136 новых представителей Heimdallarchaeia и даже предложили новый класс Ranarchaeia.

Они сравнили географию и условия находок асгардархей и обнаружили, что часть Heimdallarchaeia приспособлена к жизни в переменно кислородных местообитаниях и даже соседствует с современными протеобактериями.

Также при реконструкции геномов Heimdallarchaeia ученые обнаружили множество разных [NiFe]-гидрогеназ и выделили 19 новых подгрупп этих ферментов. В сценариях происхождения эукариотов водород часто рассматривается как «энергетическая валюта» раннего симбиоза между архейным хозяином и бактериальным предком митохондрий. Поэтому состав и устройство гидрогеназ у ближайших родственников эукариотов напрямую влияют на то, каким мы представляем себе их метаболизм — зависимым от симбиоза или скорее автономным. Некоторые из обнаруженных комплексов по архитектуре сближаются с комплексом I дыхательной цепи, что указывает на теоретическую возможность сопряжения водородного обмена с созданием мембранного протонного градиента.

Дополнительно в тех же геномах обнаружили гены белков, характерных для аэробного образа жизни, например ряд компонентов цепи переноса электронов (комплексы I, III и IV) и ферменты, нейтрализующие активные формы кислорода. Это свидетельствует в пользу того, что, в отличие от большинства других асгардбактерий, Heimdallarchaeia — не строгие анаэробы, а организмы с потенциально гибридным метаболизмом: они могли участвовать в водородном обмене, но при наличии кислорода — использовать и его как конечный акцептор электронов.

Таким образом, союз потенциальных предков эукариотов с протеобактериями мог быть не вынужденной мерой по спасению строгих анаэробов в кислородном мире, а более гибким взаимодействием кислородотолерантных организмов и аэробов-профессионалов.

Эукариоты сформировались чуть меньше двух миллиардов лет назад, и детали их происхождения до сих пор являются предметом оживленных научных споров. Так, по мнению некоторых ученых, в истории появления эукариотов был не один симбиоз, а два. Более подробно про эту теорию можно почитать в нашем материале.