W Japonii wyhodowano najbliższych krewnych złożonego życia i nie mają one jądra

Najbliżsi żyjący krewni wszystkich zwierząt, roślin i grzybów na Ziemi rosną dziś w laboratorium w Japonii, i w niczym nie przypominają przodka, którego wyobrażało sobie wielu biologów. Zespół z JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, wyhodował pierwsze czyste kultury Heimdallarchaeia, grupy jednokomórkowych archeonów, z których, jak się sądzi, wyłoniły się komórki złożone. W ich wnętrzu panuje prostota: brak jądra, brak wewnętrznych przedziałów, niczego, co przypominałoby organella definiujące nasze własne komórki.

Zaskoczenie kryje się na zewnątrz. Każda komórka wypuszcza długie, rozgałęzione wypustki, którymi chwyta partnerskie mikroorganizmy niezbędne jej do życia, a po kontakcie z tlenem komórki chorują, choć mają geny pozwalające sobie z nim radzić. Razem te cechy kreślą obraz naszego najdalszego jednokomórkowego przodka jako powolnego, unikającego tlenu mikroba żyjącego dzięki współpracy, a nie miniaturowej wersji złożonej komórki, w którą miał się ostatecznie przekształcić.

Odkrycie dotyczy jednego z najstarszych pytań biologii: jak prosta komórka pozbawiona jądra stała się rozbudowaną komórką eukariotyczną, z której zbudowane jest każde ludzkie ciało. Wiodące wyjaśnienie zakłada, że komórka archeona weszła w ścisłe partnerstwo z bakterią, a bakteria ta została ostatecznie pochłonięta i przekształciła się w mitochondrium, elektrownię naszych komórek. To, która linia archeonów była gospodarzem i jaka była jej natura, od lat stanowi przedmiot sporów opartych głównie na fragmentach DNA wydobytych z mułu i wody morskiej.

Heimdallarchaeia znajdują się w centrum tej dyskusji. Należą do typu Promethearchaeota, lepiej znanego pod dawną nazwą archeonów Asgardu, a genetyczne drzewa rodowe wskazują je jako gałąź archeonów najbliższą eukariontom. Dotąd nikt nie obserwował żywego przedstawiciela tej grupy z bliska, dlatego hipotezy, że miały już złożone struktury wewnętrzne albo potrafiły oddychać tlenem tak jak my, opierały się wyłącznie na odczytach genomu.

Jak tego dokonano

Mikroorganizmy pochodziły z niezwykłego miejsca: biofilmu pokrywającego wnętrze odwiertu gazu ziemnego na półwyspie Bōsō w prefekturze Chiba, na wschód od Tokio. Wypływa tam słonawa, bogata w metan woda gruntowa, która okresowo wytryskuje niczym niewielki gejzer, przez co osad jest regularnie wystawiany na kontakt z powietrzem. Zespół celowo wybrał to miejsce, licząc na odnalezienie krewniaków eukariontów, które miały pewną historię kontaktu z tlenem.

Ich hodowla zajęła trzy lata. Badacze podawali kulturom niewielkie ilości pożywienia bogatego w białko, w tym kwasy kazaminowe, pepton i mleko w proszku, a następnie stosowali kolejne serie antybiotyków, aby wyeliminować konkurencyjne bakterie, raz po raz przenosząc ocalałe organizmy do świeżej pożywki. W rezultacie uzyskano dwa szczepy, nazwane HC1 i SC1. HC1 żyje obecnie w stabilnej parze z jednym partnerskim mikroorganizmem wytwarzającym metan; SC1 tworzy układ trojga z dwoma takimi partnerami.

Nie są to organizmy szybko rosnące. HC1 potrzebuje około tygodnia lub więcej, aby podwoić liczebność, a SC1, od dwóch do trzech tygodni. Bakteria jelitowa, taka jak E. coli, może podwoić liczebność w około 20 minut. Zespół zbadał następnie komórki za pomocą skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, tomografii krioelektronowej rekonstruującej zamrożoną komórkę w 3D oraz znakowania fluorescencyjnego, a także zsekwencjonował oba genomy, które liczyły odpowiednio 7,91 i 6,75 miliona liter DNA.

Prosto wewnątrz, intensywnie na zewnątrz

Na dziesiątkach mikrofotografii elektronowych żaden ze szczepów nie wykazał trwałej błony wewnętrznej, będącej znakiem rozpoznawczym komórek eukariotycznych. W kilku komórkach pojawiały się i znikały niewielkie struktury przypominające pęcherzyki, ale nie było jądra, retikulum endoplazmatycznego ani niczego, co biolog komórkowy nazwałby organellum. Komórki dzielą się na dwie części jak zwykłe mikroorganizmy.

Ich powierzchnie opowiadały jednak inną historię. Po fazie wzrostu większość komórek wypuszczała liczne wypustki o grubości około 370 nanometrów, które rozgałęziały się i rozszerzały, a ich objętość często przewyższała objętość samego ciała komórki, średnio około 1,4 raza. Wypustki były przeplecione filamentami przypominającymi aktynę, białko nadające kształt także naszym komórkom, i fizycznie przytwierdzały się do partnerskich mikroorganizmów. Komórki znajdujące się w trakcie podziału nigdy ich nie miały.

To partnerstwo nie jest opcjonalne. Oba szczepy rozkładają fragmenty białek i uwalniają wodór jako produkt odpadowy, lecz reakcja ta zatrzymuje się, jeśli partner nie usuwa na bieżąco wodoru. Gdy badacze zablokowali partnerów produkujących metan za pomocą inhibitora, archeony całkowicie przestały rosnąć.

Jeszcze jedna cecha zwróciła uwagę zespołu. Kiedy HC1 otrzymywał więcej pożywienia, nie dzielił się szybciej. Zamiast tego jego komórki stawały się większe i wypuszczały więcej ramion. Obrazowanie dużego obszaru obejmujące około 15 000 komórek wykazało większe i liczniejsze wypustki przypadające na jedną komórkę, a ilość białka na komórkę wzrosła z 66 do 226 femtogramów. Typowe bakterie i archeony przeznaczają dodatkową energię na rozmnażanie. Jak zauważają autorzy, wymiana wzrostu rozmiaru na reprodukcję jest czymś, co robią eukarionty.

Zagadka tlenu

HC1 ma geny kodujące oksydazy terminalne, enzymy, które u zwierząt znajdują się na końcu łańcucha wykorzystującego tlen do pozyskiwania energii. Niektórzy badacze odczytywali podobne geny w DNA Heimdallarchaeia jako znak, że przodek eukariontów już oddychał tlenem. Kultury mówią jednak co innego. Dodanie nawet śladowej ilości tlenu albo atmosfery zawierającej 1% tlenu zmniejszało liczbę komórek HC1 około stukrotnie.

HC1 mógł przetrwać w obecności tlenu tylko z pomocą. Gdy do kultury dodano bakterie zużywające tlen, wyizolowane z pierwotnej hodowli wzbogaconej, HC1 rósł mimo niskiego stężenia tlenu, choć nie wytwarzał więcej komórek niż wcześniej. Jego genomowi brakuje również mechanizmu potrzebnego do kierowania elektronów z pożywienia do tlenu. Zespół stwierdza, że oksydazy działają obronnie, usuwając tlen, podobnie jak czynią to u innych bezwzględnych beztlenowców. Ferrytyna, białko ograniczające uszkodzenia związane z tlenem i żelazem, należała do trzech najsilniej eksprymowanych białek w HC1.

Test obejmujący cały genom wskazał ten sam kierunek. Badacze wytrenowali klasyfikator na enzymach rozróżniających organizmy potrzebujące tlenu od tych, które go unikają, i poprawnie klasyfikował on znane mikroorganizmy w około 95% przypadków. Zastosowany do całego typu archeonów Asgardu wskazał, że grupa ta jest zasadniczo beztlenowa, niezależnie od obecności genów oksydaz.

Jest to zgodne z koncepcją znaną jako model Ox-Tox: bakteria, która stała się mitochondrium, najpierw zapewniła sobie miejsce, pochłaniając tlen toksyczny dla jej archeonowego gospodarza, na długo zanim została dostawcą energii dla komórki.

Czego to nie rozstrzyga

Te mikroorganizmy są kuzynami przodka, a nie samym przodkiem. Miały tyle samo czasu na ewolucję co my, według większości szacunków około dwóch miliardów lat, a każda obserwowana dziś cecha mogła po drodze zostać zyskana albo utracona. Własna analiza zespołu sugeruje, że geny związane z radzeniem sobie z tlenem przemieszczały się poziomo między spokrewnionymi grupami, dlatego wciąż nie wiadomo, czy przodek w ogóle je posiadał.

Próba jest również niewielka. Pod mikroskopem zbadano tylko trzy szczepy z tej gałęzi drzewa: HC1, SC1 oraz hodowlę wzbogaconą opisaną wcześniej przez inną grupę. Wszystkie trzy nie mają organelli, ale linia o tak dużej różnorodności może obejmować przedstawicieli o bardziej rozbudowanym wnętrzu. Sporadycznie występujące wewnętrzne pęcherzyki w niektórych komórkach wciąż nie mają wyjaśnienia, a autorzy nie nazywają ich ani pierwotnymi organellami, ani artefaktami.

Znaczenie mają również warunki laboratoryjne. Kształty komórek zmieniały się, gdy utrwalano je chemicznie na potrzeby obrazowania, a wypustki miały tendencję do odłamywania się, co, jak sami autorzy podkreślają, stanowi ostrzeżenie przed odczytywaniem anatomii z zachowanych próbek. Kultury to czyste układy par i trójek z partnerami, a nie kultury jednego gatunku, ponieważ archeony nie potrafią rosnąć samotnie.

Linia otwarta teraz na eksperymenty

Grupa JAMSTEC wyhodowała pierwszego przedstawiciela szerszej grupy Asgardu, szczep nazwany MK-D1 z osadów głębinowych, i opisała go w 2020 roku. W 2023 roku zespół z Wiednia opisał drugi gatunek, Lokiarchaeum ossiferum, o podobnych wypustkach. Nowe szczepy należą do gałęzi najbliższej eukariontom, rosną szybciej niż MK-D1 i mają większe komórki, co znacznie ułatwia ich badanie.

Zespół zaproponował nazwy dla obu: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum dla HC1, nazwę rodzaju zawierającą nazwisko Lynn Margulis, biolog, która promowała teorię, że mitochondria zaczęły jako pochwycone bakterie, oraz Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum dla SC1.

Najczęstsze pytania o archeony stojące za złożonym życiem

Czym są archeony Asgardu?

Archeony Asgardu, obecnie formalnie nazywane Promethearchaeota, to grupa jednokomórkowych mikroorganizmów po raz pierwszy zidentyfikowanych na podstawie środowiskowego DNA i nazwanych na cześć mitologii nordyckiej. Ich genomy zawierają wiele genów, które niegdyś uważano za unikalne dla eukariontów, dlatego są postrzegane jako linia, z której wyłoniły się złożone komórki.

Czy ludzie wyewoluowali z archeonów?

W głębokim sensie, tak. Wiodący model zakłada, że pierwsza komórka eukariotyczna powstała, gdy archeon spokrewniony ze współczesnymi Heimdallarchaeia wszedł w partnerstwo z bakterią, która stała się mitochondrium. Każde zwierzę, roślina i grzyb wywodzi się z tej połączonej komórki.

Czy Heimdallarchaeia mają jądro komórkowe?

Nie. Hodowane szczepy HC1 i SC1 nie mają jądra ani trwałych błon wewnętrznych. Ich złożoność znajduje się na zewnątrz, w długich, rozgałęzionych wypustkach łączących je z partnerskimi mikroorganizmami.

Czy te archeony mogą żyć w obecności tlenu?

Zaledwie. Są beztlenowcami, a ich liczebność spada około stukrotnie przy śladowej ilości tlenu, jednak jeden szczep przetrwał przy niskim poziomie tlenu, gdy jego kulturę współdzieliły bakterie zużywające tlen.

Badanie opublikowano w Nature 28 października 2026 roku, a po raz pierwszy zamieszczono je jako preprint w lutym 2025 roku. JAMSTEC podaje, że oba szczepy będą teraz służyć jako modele eksperymentalne, a zespół skupi się na ich strukturach komórkowych i sposobie wiązania się z partnerskimi mikroorganizmami, aby prześledzić, jak komórka archeona z wypustkami na zewnątrz ostatecznie zbudowała jądro wewnątrz.

Źródło: Imachi, Nobu et al., „Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Tagi: archeony, Asgard archaea, biologia komórki, eukarionty, ewolucja, Heimdallarchaeia