Archaea i sens życia
Ludzie niesłychanie lubią dzielić rzeczy na dwie części – nasze podejście do klasyfikacji taksonomicznej nie jest wyjątkiem. Najwcześniejszy system opublikowany przez Linneusza dzielił organizmy żywe na zwierzęta i rośliny, a w latach 60. ubiegłego wieku został on zastąpiony bardziej fundamentalnym podziałem na prokariotę i eukariotę. Nie powinno więc dziwić, że pomysł trzeciej dziedziny życia – Archaea – spotkał się z zaciekłym oporem, gdy zaproponowano go w latach 70.
Krótka historia Archaea: 1977 do dziś
Archaea są szeroko rozpowszechnione na Ziemi, ale stosunkowo niewiele o nich wiadomo, poza wybranymi grupami ludzi, którzy badają te fascynujące organizmy. Są one tajemnicą, która jest powoli rozwikłana od ich „odkrycia” w 1977 roku przez Carla Woese i jego grupę, w tym George’a Foxa, podczas pracy na Uniwersytecie Illinois.
Metanogeny (archaea, które produkują metan) i inne grupy mikroorganizmów, w tym halobakterie (obecnie nazywane archaea halofilne), jak również termofile, zostały już odkryte, ale zostały błędnie zaklasyfikowane do dziedziny Bacteria. Woese odkrył, że te organizmy nie tylko dzielą zamiłowanie do ekstremalnych środowisk, ale również są ze sobą filogenetycznie spokrewnione. Jednak był zaskoczony, aby znaleźć, że są one zasadniczo różne do bacteria.
Woese był za pomocą small-subunit rRNA (ribosomal RNA) do budowy nowego drzewa filogenetycznego. Mała podjednostka rRNA jest niezbędnym składnikiem wszystkich samoreplikujących się organizmów i wykazuje niezwykłą konserwację sekwencji. To czyni go idealnym wyborem na chronometr molekularny. W tamtym czasie to molekularne podejście do filogenezy było nowością – poprzednie metody opierały się na widocznych cechach, takich jak kształt komórek czy warunki wzrostu. Woese odkrył, że prokariota nie jest jedną spójną dziedziną, ale składa się z dwóch odrębnych grup: Bacteria i Archaea. W tamtym czasie nazywano je odpowiednio „Eubacteria” i „Archaebacteria”, ale okazało się, że te dwie grupy prokariotów nie są bardziej podobne do siebie niż do eukariotów. Woese zaproponował, że drzewo życia ma trzy równe gałęzie – Archaea, Bacteria i Eukarya – i że termin 'prokariota’ powinien zostać porzucony, ponieważ nie ma on żadnego znaczenia taksonomicznego. Nic dziwnego, że jego idee nie były powszechnie popularne.
L-R: A MUD POOL, WAIOTAPU; CHAMPAGNE POOL, WAIOTAPU; A HOT SPRING IN YELLOWSTONE NATIONAL PARK; SULFUR DEPOSITS, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Jak z każdym nowym odkryciem są sceptycy, ale biochemiczne dane z Wolfram Zillig poparły dane 16S rRNA zebrane przez Woese. Z czasem nowa dziedzina Archaea została zaakceptowana przez społeczność naukową. Zainteresowanie Archaea wzrosło jeszcze bardziej po tym, jak w latach 90. rozpoczęto sekwencjonowanie całych genomów, a badacze coraz częściej przestawiali się z bakterii czy eukariontów na pracę nad tymi egzotycznymi mikroorganizmami. Jednak wbrew powszechnemu przekonaniu, nie wszystkie archaea są ekstremofilami. Znajdowano je również w „normalnych” środowiskach, takich jak gleba i ocean, a także w środowiskach, w których współżyją z bakteriami. Na przykład w jelitach człowieka archaea są odpowiedzialne za produkcję metanu! Jednakże, w przeciwieństwie do bakterii, nigdy nie znaleziono żadnych patogennych archai.
Minęło prawie 40 lat od ich przeklasyfikowania do nowej dziedziny, ale wciąż odkrywanych jest o wiele więcej gatunków archai. Sekwencjonowanie DNA uległo znacznej poprawie, co oznacza, że archaea nie muszą już być hodowane, aby je scharakteryzować. Doprowadziło to do odkrycia zupełnie nowych linii rozwojowych. W oparciu o dane filogenetyczne (16S rRNA i inne geny) dziedzina Archaea została pierwotnie podzielona na dwie grupy: Euryarchaeota i Crenarchaeota. Jednak od 2006 roku odkryto trzy kolejne linie rozwojowe: Thaumarchaeota, Aigarchaeota i Korarchaeota. Te trzy nowe grupy są często łączone z Crenarchaeota, tworząc supertyp „TACK” (więcej o tym później). Jeszcze niedawno pojawiły się doniesienia o nowych liniach archai 'nano’, które charakteryzują się niewielkimi rozmiarami komórek z bardzo małą ilością genów. Ciągłe odkrywanie nowych gatunków i grup sprawia, że Archaea są bardzo płynną dziedziną, a drzewo filogenetyczne zmienia się wraz z każdym nowym odkryciem.
TYMELINA ARCHAEA OD ICH ODKRYCIA DO DZISIAJ.
Początki życia?
Archaea mogą wyglądać jak bakterie na pierwszy rzut oka i z pewnością istnieje wiele powierzchownych podobieństw, ale kopać głębiej i archaea mają więcej wspólnego z eukariotami. W rzeczywistości, jest to obecnie powszechnie akceptowane, że archaea są przodkami wszystkich eukariontów.
Archaea, podobnie jak bakterie, są organizmami jednokomórkowymi z kolistym dwuniciowym genomem DNA i nie mają ani błony jądrowej, ani organelli. Oznacza to, że pod względem budowy komórki są podobne do bakterii, choć istnieją między nimi różnice. Archaea nie mają ściany komórkowej typu bakteryjnego, a ich błona plazmatyczna różni się od tej, którą można znaleźć zarówno u bakterii, jak i u eukariontów. Jednak od wewnątrz komórki archaea wykazują uderzające podobieństwo do eukariontów. Dotyczy to zwłaszcza mechanizmów enzymatycznych, które przetwarzają informację genetyczną – pakowanie i replikacja DNA, transkrypcja na RNA i translacja na białka. Wszystkie te procesy są zasadniczo takie same u archaidów i eukariontów, a różnią się od bakterii.
Powstaje pytanie: jeśli archaidy są bliżej spokrewnione z eukariontami niż bakteriami, to jak mieszczą się w drzewie życia?
Drzewo filogenetyczne zaproponowane przez Woese’a było podzielone na trzy równe domeny, z archaidami i eukarionami dzielącymi wspólnego przodka, który już oddzielił się od bakterii. Jednak biolodzy pracujący nad początkami życia doszli ostatnio do wniosku, że Eukarya i Archaea nie są grupami siostrzanymi. Zamiast tego eukarionty są bezpośrednimi potomkami archaidów, a nasz dawno zaginiony przodek należy do nadrodziny archaidów „TACK”. Jednym z najbardziej ekscytujących odkryć ostatniego roku było zidentyfikowanie „brakującego ogniwa” pomiędzy Eukarya i Archaea. Nazwane Lokiarchaeota, zostały znalezione w pobliżu ujścia hydrotermalnego w miejscu znanym jako Zamek Loki w Oceanie Arktycznym.
Czy możemy wykorzystać naszą wiedzę o archaea do śledzenia początków złożonego życia? Eukariotyczne mikroskamieliny mogą być datowane na 1,8 miliarda lat temu, ale biologiczny metan został znaleziony w skałach, które mają 3,4 miliarda lat. Jedynym źródłem biologicznego metanu są metanogenne Euryarchaeota, więc wiemy, że archaea istniały od samego początku życia na Ziemi. Jeśli chodzi o życie na innych planetach, kuszące jest spekulowanie, że archaea mogły również skolonizować Marsa – pojawia się coraz więcej dowodów na to, że metan w marsjańskiej atmosferze ma pochodzenie biologiczne.
DR THORSTEN ALLERS Z UNIWERSYTETU NOTTINGHAM WYJAŚNIA, JAK TE FASCYNUJĄCE MIKRO-ORGANIZMY ZOSTAŁY PO RAZ PIERWSZY ODKRYTE – I JAK POWODOWAŁY, ŻE ZNOWU ZROZUMIELIŚMY WŁASNE MIEJSCE NA DRZEWIE ŻYCIA.
Rewolucja Woese’a
Co ostatnie odkrycia oznaczają dla nas, ludzi? Biorąc pod uwagę nasze pragnienie dychotomii, powinniśmy odetchnąć z ulgą, że drzewo życia zostało przycięte do zaledwie dwóch głównych gałęzi – Bakterii i Archaea. I bardziej niż cokolwiek innego powinniśmy wyrazić uznanie dla Carla Woese’a, którego rewolucja taksonomiczna pozwoliła nam prześledzić drogę naszych przodków aż do ich skromnych początków jako komórek archealnych.
UNIWERSALNE DRZEWA FILOGENETYCZNE W FORMIE Korzeniowej, WYKAZUJĄCE TRZY DOMY.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
DALSZE CZYTANIE
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & inni (2015). Complex archaea that bridge the gap between prokaryota and eukaryota. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & inni (2013). An archaeal origin of eukaryotes supports only two primary domains of life. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.
.