Každé lidské tělo je složeno z eukaryotických buněk, které mají jádro, DNA uspořádanou do chromozomů a vnitřní kompartmenty. Naopak bakterie a archea mají jednodušší strukturu buněk.

Po mnoho let učebnice představovaly „strom života“ se třemi doménami: bakterie, archea a eukaryoty na třech větvích. Nové genetické důkazy však posunuly výzkumníky k modelu „dvojdomény“, kde jsou archea a eukaryoty umístěny mnohem blíže k sobě.

Mezi archei vystupuje jeden klastr, archea Asgard, který je zajímavý, protože zahrnuje některé z nejpodivnějších archeálních genomů, které byly dosud známy. Předchozí studie naznačily, že tato skupina by mohla být blízko linie eukaryot, které nakonec vedly k vývoji složitých buněk, jako jsou naše.

Eukaryoty jsou složité organismy, jejichž buňky obsahují jádro – je to skupina, do které patří všechny rostliny, živočichové, hmyzí a houby. Tento náznak nastavil hlavolam ohledně předků: tým chtěl zjistit, která linie Asgard dala vznik našim buňkám, jak se změnil jejich genom a jaký životní styl měl tento předek.

„Jaké události vedly mikroby k vývoji do eukaryotů?“ ptal se Brett Baker, docent integrativní biologie a mořské vědy na Texaské univerzitě v Austinu. „To je velká otázka. Mít tohoto společného předka je důležitým krokem k tomu, abychom to pochopili.“

Asgard archea vzácně rostou v laboratorních nádobách, a proto tým hledal je v přírodě. Vzorkovali termální prameny, hlubokomořské hydrotermální vývěry, mořské sedimenty a další sedimenty na 11 lokalitách. Tým nabíral bahno a minerální usazeniny, extrahoval DNA a použil počítače k rekonstrukci této smíšené DNA do samostatných genomů, známých jako metagenomově sestavené genomy, nebo MAGy.

„Představte si stroj času, ne k prozkoumávání říše dinosaurů nebo dávných civilizací, ale k cestování do hloubi potenciálních metabolických reakcí, které mohly vyvolat vznik složitého života,“ řekla Valerie De Anda, výzkumnice v Bakerově laboratoři.

„Místo fosilií nebo starověkých artefaktů, zkoumáme genetické plány moderních mikrobiálních organismů, abychom rekonstruovali jejich minulost.“

Tým získal 63 nových genomů Asgard z těchto vzorků, což dramaticky rozšířilo známou rozmanitost této skupiny. V rámci podskupiny Heimdallarchaeia zjistili, že velikosti genomů se výrazně lišily, a identifikovali nový řád, Hodarchaeales, který zahrnuje některé z největších genomů.

Analýza evolučních vztahů

Aby viděli, jak spolu tyto Asgards souvisejí, výzkumníci sestavili evoluční stromy pomocí souborů proteinů sdílených mezi archei a eukaryoty. Po analýze genomů stovek archeí, které jsou mikroby odlišnými od bakterií, nalezli výzkumníci z UT Austin a dalších institucí, že eukaryoty pravděpodobně vznikly z jediného společného předka v rámci Asgard archea.

Po všech testech se opakovaně objevoval vzor, který ukázal, že eukaryoty spadají do „dobře zasazené kladokonice“ v rámci Asgard archea. V těchto stromech tvoří eukaryotické buňky nejbližší sestrou Hodarchaeales uvnitř Heimdallarchaeia, což podporuje myšlenku, že složité buňky vznikly uvnitř archeální domény, nikoli z oddělené větve.

Rekonstrukce genových rodin

Tým pak porovnal rodiny genů napříč mnoha archeálními genomů a rekonstruoval, co pravděpodobně obsahovaly genomy předků v různých bodech na tomto stromu. Zjistili, že předkové skupin Asgard, zejména Lokiarchaeia a Hodarchaeales, vykazovaly vysoké míry duplikace genů, zatímco jejich ztráty genů zůstaly podobné nebo nižší než u jiných archeí.

Důsledkem bylo, že přední genomy Asgard měly tendenci být větší a kódovat více proteinů než typičtí archeální předkové, přičemž předek Hodarchaeales měl pravděpodobně více než 4 000 proteinů ve srovnání s přibližně 3 100 proteiny, které by měl mít společný předek všech Asgard archeí.

Při použití této rekonstruované genetické informace vědci usoudili, jak žili předkové. Pro posledního společného předka Asgard archea identifikovali geny pro Wood–Ljungdahlovu dráhu, která umožňuje buňkám používat anorganické uhlíkové sloučeniny k vytváření organických molekul.

Tento vzor naznačuje chemolitotrofní životní styl, který čerpá energii z anorganických chemikálií místo z organických potravin, a naznačuje, že tento předek preferoval velmi vysoké teploty, což je v souladu s hypertermofilním původem v horkých prostředích.

Vliv evoluce na životní styl

Vědecký tým považoval toho nejranějšího předka za „velkého-pradědečka“ a ptali se, jakou teplotu měl rád a co jedl. Jak evoluce směřovala k Heimdallarchaeii a poté k Hodarchaeales, linie vedoucí k poslednímu společnému předku Asgard archea a eukaryotů ztratila Wood-Ljungdahlovu dráhu.

Tato linie pak přešla na heterotrofii a začala získávat energii z organických sloučenin, pravděpodobně prostřednictvím fermentace. Předpokládaný centrální metabolismus uhlíku v této fázi zahrnoval dráhy velmi podobné těm v moderních eukaryotických buňkách, jako je dráha Embden-Meyerhof-Parnas, standardní forma glykolýzy, a částečně oxidační dráha pentózového fosfátu.

Pro předka nejbližšího nám, posledního společného předka Hodarchaeales a eukaryot, analýzy ukazují na mezofilní životní styl s optimální teplotou pro růst mezi běžnou pokojovou a tělesnou teplotou místo varu. Tento předek používal kompletní transportní řetězec elektronů a vykonával anaerobní respiraci s použitím dusičnanu jako konečného akceptora elektronů.

Takže náš „přední“ buněčný předek mohl žít v prostředí chudém na kyslík, ale bohatém na chemické látky, a vyráběl ATP pomocí dusičnanu místo kyslíku. „To je opravdu vzrušující, protože poprvé se díváme na molekulární plány předka, který dal vznik prvním eukaryotickým buňkám,“ řekla De Anda.

Název Hodarchaeales a jeho význam

Název Hodarchaeales pochází od Hoda z norské mytologie, což je slepý bůh, jenž je podveden, aby zabil svého bratra Baldr. „S svojí řečí v přednáškách si stále dělám legraci, že ‚všichni jsme Asgardané‘,“ řekl Baker. „Teď si asi tohle napíšu na svůj náhrobek.“

Nalezené výsledky naznačují, že Asgardský předek eukaryotů měl již nástroje k ohýbání membrán, posunování proteinů a organizaci vnitřku buňky. „Nevíme, co konkrétně vedly duplikace genů u těchto Asgardů,“ řekl Baker. „Ale víme, že u eukaryot tyto duplikace genů vedly k novým funkcím a zvyšování buněčné složitosti. Myslíme si, že to je jedna z cest, jak Asgard vedli k inovacím, které definují eukaryoty.“

Vědci studující archea našli mnoho proteinů, které byly považovány za exkluzivní pro eukaryoty, a Baker uvedl, že to vyvolává otázku: Jaké funkce tyto eukaryotické proteiny plní v archeích? „Myslím, že zkoumání těchto jednodušších forem života a jejich eukaryotických charakteristik nám řekne hodně o nás samotných,“ uzavřel Baker.

Když to shrneme, zkoumání Asgardů pomáhá vysvětlit, jak něco tak složitého, jako je lidská buňka, mohlo postupně evolučně vzniknout z něčeho, co stále, na povrchu, vypadalo jako „jednoduchý“ mikrobiální organismus. Ale co je nejlepší: V norské mytologii znamená být „Asgardianem“, že Thor je vzdálený příbuzný. A buďme upřímní, kdo by nechtěl Thora ve svém rodokmenu?

Celá studie byla publikována v časopise Nature.