Archaea og meningen med livet
Mennesker er ualmindeligt glade for at dele ting op i to – vores tilgang til taksonomisk klassifikation er ingen undtagelse. Det tidligste system, der blev offentliggjort af Linné, opdelte levende organismer i dyr og planter, og i 1960’erne blev dette system afløst af en mere grundlæggende opdeling mellem prokaryoter og eukaryoter. Det bør derfor ikke komme som nogen overraskelse, at ideen om et tredje livsdomæne – Archaea – mødte voldsom modstand, da den blev foreslået i 1970’erne.
En kort historie om Archaea: 1977 til i dag
Archaea er meget udbredt på Jorden, men alligevel ved man relativt lidt om dem, bortset fra de udvalgte grupper af mennesker, der studerer disse fascinerende organismer. De er et mysterium, der langsomt er ved at blive opklaret siden deres “opdagelse” i 1977 af Carl Woese og hans gruppe, herunder George Fox, mens de arbejdede på University of Illinois.
Methanogener (archaea, der producerer metan) og andre grupper af mikroorganismer, herunder halobakterier (nu kaldet halofile archaea) samt termofile, var allerede blevet opdaget, men de var blevet fejlklassificeret under domænet Bakterier. Woese fandt ud af, at disse organismer ikke blot delte en kærlighed til ekstreme miljøer, men også at de er fylogenetisk beslægtede med hinanden. Han blev dog overrasket over at finde ud af, at de er fundamentalt forskellige fra bakterier.
Woese brugte små rRNA-underenheder (ribosomalt RNA) til at opbygge et nyt fylogenetisk træ. Den lille rRNA-underenhed er en væsentlig bestanddel af alle selvreplikerende organismer og viser en bemærkelsesværdig sekvensbevaring. Det gjorde det til et perfekt valg til en molekylær kronometer. På det tidspunkt var denne molekylære tilgang til fylogeni ny – tidligere metoder var i stedet baseret på synlige karakteristika såsom celleform eller vækstbetingelser. Woese fandt ud af, at prokaryoter ikke er ét sammenhængende domæne, men består af to forskellige grupper: Bakterier og Archaea. På det tidspunkt blev de kaldt henholdsvis “Eubacteria” og “Archaebacteria”, men det viste sig, at disse to grupper af prokaryoter ikke ligner hinanden mere end de ligner eukaryoter. Woese foreslog, at livstræet har tre lige store grene – Archaea, Bacteria og Eukarya – og at betegnelsen “prokaryote” bør opgives, fordi den ikke har nogen taksonomisk betydning. Det er ikke overraskende, at hans ideer ikke var populære overalt.
L-R: EN MUD POOL, WAIOTAPU; CHAMPAGNE POOL, WAIOTAPU; EN VARM SPRING I YELLOWSTONE NATIONAL PARK; SULFURUDDANNELSER, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Som med enhver ny opdagelse er der skeptikere, men biokemiske data fra Wolfram Zillig understøttede de 16S rRNA-data, som Woese havde indsamlet. Med tiden blev det nye domæne Archaea accepteret af det videnskabelige samfund. Interessen for archaea steg yderligere, efter at sekventering af hele genomer tog fart i 1990’erne, og forskerne skiftede i stigende grad fra bakterier eller eukaryoter til at arbejde med disse eksotiske mikroorganismer. Men i modsætning til hvad mange tror, er ikke alle arkæer ekstremofile. De er også blevet fundet i “normale” miljøer som jord og hav og i miljøer, hvor de lever sammen med bakterier. I menneskets tarm er arkæaer f.eks. ansvarlige for produktionen af metan! I modsætning til bakterier er der dog aldrig fundet nogen sygdomsfremkaldende arkæaer.
Der er gået næsten 40 år, siden de blev omklassificeret til et nyt område, men der bliver stadig opdaget mange flere arter af arkæaer. DNA-sekventering er blevet dramatisk forbedret, hvilket betyder, at arkæaer ikke længere behøver at blive dyrket for at blive karakteriseret. Dette har ført til opdagelse af helt nye slægter. På grundlag af fylogenetiske data (16S rRNA og andre gener) blev Archaea-domænet oprindeligt opdelt i to grupper: Euryarchaeota og Crenarchaeota. Siden 2006 er der imidlertid blevet opdaget yderligere tre slægtslinjer: Thaumarchaeota, Aigarchaeota og Korarchaeota. Disse tre nye grupper kombineres ofte med Crenarchaeota for at danne superfylummet “TACK” (mere om dette senere). For endnu nyere tid er der blevet rapporteret om nye slægter af “nano”-arkæaer, som er karakteriseret ved en lille cellestørrelse med meget få gener. Den konstante udgravning af nye arter og grupper gør Archaea til et meget flydende område, hvor det fylogenetiske træ ændrer sig efterhånden som der gøres nye opdagelser.
ARCHAEA’ernes stamme fra deres opdagelse til nutiden.
Livets oprindelse?
Archaea ligner måske bakterier ved første øjekast, og der er bestemt mange overfladiske ligheder, men hvis man graver dybere, har archaea mere til fælles med eukaryoter. Faktisk er det nu almindeligt accepteret, at archaea er forfædrene til alle eukaryoter.
Archaea er ligesom bakterier encellede organismer med et cirkulært dobbeltstrenget DNA-genom, og de har hverken en kernemembran eller organeller. Det betyder, at de ligner bakterier med hensyn til cellestruktur, selv om der er forskelle. Archaea har ikke en cellevæg af bakteriel art, og deres plasmamembran er anderledes end den, der findes hos både bakterier og eukaryoter. Men på indersiden af cellen viser arkæer en slående familielignelse med eukaryoter. Det gælder især for det enzymatiske maskineri, der behandler genetisk information – DNA-pakning og -replikation, transkription til RNA og oversættelse til protein. Alle disse processer er stort set de samme i archaea og eukaryoter og er helt forskellige fra bakterier.
Dette giver anledning til spørgsmålet: Hvis archaea er tættere beslægtet med eukaryoter end bakterier, hvordan passer de så ind i livets træ?
Det fylogenetiske træ, som Woese foreslog, blev opdelt i tre lige store områder, hvor archaea og eukarya deler en fælles forfader, der allerede var divergeret fra bakterier. Biologer, der arbejder på livets oprindelse, har imidlertid for nylig konkluderet, at Eukarya og Archaea ikke er søstergrupper. I stedet er eukaryoter direkte efterkommere af archaea, og vores længe forsvundne forfader tilhører superfylummet “TACK” af archaea. En af de mest spændende nye opdagelser i det seneste år var identifikationen af et “manglende led” mellem Eukarya og Archaea. De kaldes Lokiarchaeota og blev fundet i nærheden af en hydrotermisk vent på et sted kendt som Loki’s Castle i det Arktiske Ocean.
Kan vi bruge vores viden om arkæa til at spore oprindelsen af komplekst liv? Eukaryotiske mikrofossiler kan dateres tilbage til for 1,8 milliarder år siden, men biologisk metan er fundet i klipper, der er 3,4 milliarder år gamle. Den eneste kilde til biologisk metan er metanogene Euryarchaeota, så vi ved, at archaea har været til stede siden begyndelsen af livet på Jorden. Hvad angår liv på andre planeter, er det fristende at spekulere i, at archaea måske også har koloniseret Mars – der er flere og flere beviser for, at metan i Mars’ atmosfære har en biologisk oprindelse.
DR THORSTEN ALLERS FRA UNIVERSITETET I NOTTINGHAM udforsker, hvordan disse fascinerende mikroorganismer blev opdaget første gang – og hvordan de endda har fået os til at genoverveje vores egen plads i livets træ.
Vejsens revolution
Hvad betyder de seneste opdagelser for os mennesker? I betragtning af vores ønske om dikotomi bør vi være lettede over, at livstræet er blevet beskåret tilbage til kun to primære grene – bakterier og arkæer. Og mere end noget andet bør vi rose Carl Woese, hvis taksonomiske revolution har gjort det muligt for os at spore vores forfædre helt tilbage til deres ydmyge begyndelse som arkæale celler.
UNIVERSELLE FYLOGENETISKE TRÆER I RØDEFORM, SOM VIDEREGIVER DE TRE DOMAINS.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
VIDERE LÆSNING
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & andre (2015). Komplekse archaea, der bygger bro mellem prokaryoter og eukaryoter. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & andre (2013). En arkæisk oprindelse af eukaryoter understøtter kun to primære livsdomæner. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). På vej mod et naturligt system af organismer: forslag til domænerne Archaea, Bacteria og Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.