Archea a smysl života
Lidé mají nadmíru rádi dělení věcí na dvě části – náš přístup k taxonomické klasifikaci není výjimkou. Nejstarší systém publikovaný Linneem dělil živé organismy na živočichy a rostliny a v 60. letech 20. století byl nahrazen zásadnějším dělením na prokaryota a eukaryota. Proto nepřekvapí, že myšlenka třetí oblasti života – archeí – se setkala se zuřivým odporem, když byla v 70. letech 20. století navržena.
Krátká historie archeí: od roku 1977 do současnosti
Archea jsou na Zemi velmi rozšířená, ale mimo vybrané skupiny lidí, kteří tyto fascinující organismy studují, se o nich ví poměrně málo. Jsou záhadou, která je pomalu rozplétána od jejich „objevení“ v roce 1977 Carlem Woesem a jeho skupinou, včetně George Foxe, při práci na Illinoiské univerzitě.
Metanogeny (archea produkující metan) a další skupiny mikroorganismů, včetně halobakterií (nyní nazývaných halofilní archea) i termofilů, byly již objeveny, ale byly nesprávně zařazeny pod doménu Bakterie. Woese zjistil, že tyto organismy nesdílejí pouze zálibu v extrémních prostředích, ale že jsou si také fylogeneticky příbuzné. S překvapením však zjistil, že se od bakterií zásadně liší.
Woese používal k sestavení nového fylogenetického stromu malou podjednotku rRNA (ribozomální RNA). Malá podjednotka rRNA je základní složkou všech samoreplikujících se organismů a vykazuje pozoruhodnou zachovalost sekvencí. Proto byla ideální volbou pro molekulární chronometr. V té době byl tento molekulární přístup k fylogenezi nový – předchozí metody se spoléhaly spíše na viditelné charakteristiky, jako je tvar buněk nebo podmínky růstu. Woese zjistil, že prokaryota netvoří jednu souvislou oblast, ale že se skládají ze dvou odlišných skupin: Bakterie a archea. V té době byly pojmenovány „Eubacteria“ a „Archaebacteria“, ale ukázalo se, že tyto dvě skupiny prokaryot si nejsou o nic podobnější než eukaryota. Woese navrhl, že strom života má tři rovnocenné větve – Archaea, Bacteria a Eukarya – a že termín „prokaryota“ by měl být opuštěn, protože nemá taxonomický význam. Není překvapením, že jeho myšlenky nebyly všeobecně oblíbené.
L-R: Bahenní jezírko, WAIOTAPU; ŠAMPIONOVÉ JEZÍRKO, WAIOTAPU; Horký pramen v národním parku YELLOWSTONE; SULFUR DEPOSITS, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Jako u každého nového objevu se najdou skeptici, ale biochemické údaje Wolframa Zilliga podpořily údaje o 16S rRNA shromážděné Woesem. Postupem času byla nová doména Archaea vědeckou komunitou přijata. Zájem o archea dále vzrostl poté, co se v 90. letech 20. století rozběhlo sekvenování celých genomů, a vědci stále častěji přecházeli od bakterií nebo eukaryot k práci na těchto exotických mikroorganismech. Navzdory všeobecnému přesvědčení však ne všechna archea jsou extrémofilní. Byly nalezeny i v „normálních“ prostředích, jako je půda a oceán, a v prostředích, kde žijí společně s bakteriemi. Například v lidských střevech jsou archea zodpovědná za produkci metanu! Na rozdíl od bakterií však nikdy nebyly nalezeny žádné patogenní archea.
Od jejich přeřazení do nového oboru uplynulo již téměř 40 let, ale stále je objevováno mnoho dalších druhů archeí. Výrazně se zlepšilo sekvenování DNA, což znamená, že k charakterizaci archeí již není nutné je kultivovat. To vedlo k objevu zcela nových linií. Na základě fylogenetických dat (16S rRNA a další geny) byla doména Archaea původně rozdělena do dvou skupin: Euryarchaeota a Crenarchaeota. Od roku 2006 však byly objeveny další tři linie: Thaumarchaeota, Aigarchaeota a Korarchaeota. Tyto tři nové skupiny jsou často spojovány s Crenarchaeota a tvoří superfylum „TACK“ (více o něm později). Ještě nedávno se objevily zprávy o nových liniích „nano“ archaea, které se vyznačují malou velikostí buněk s velmi malým počtem genů. Neustálé objevování nových druhů a skupin činí z archeí velmi proměnlivou oblast, jejíž fylogenetický strom se mění s každým novým objevem.
TIMELINE OF ARCHAEA FROM THEIR DISCOVERY TO PRESENT DAY.
Původ života?“
Archaea mohou na první pohled vypadat jako bakterie a jistě je zde mnoho povrchních podobností, ale když zapátráme hlouběji, archaea mají s eukaryoty společného více. Ve skutečnosti se dnes všeobecně uznává, že archea jsou předky všech eukaryot.
Archea jsou stejně jako bakterie jednobuněčné organismy s kruhovým dvouřetězcovým genomem DNA a nemají jadernou membránu ani organely. To znamená, že jsou z hlediska stavby buňky podobné bakteriím, i když mezi nimi existují rozdíly. Archea nemají buněčnou stěnu bakteriálního typu a jejich plazmatická membrána je jiná než u bakterií i eukaryot. Uvnitř buňky však archea vykazují nápadnou rodinnou podobnost s eukaryoty. Týká se to zejména enzymového aparátu, který zpracovává genetickou informaci – balení a replikace DNA, transkripce do RNA a translace do bílkovin. Všechny tyto procesy jsou u archeí a eukaryot v podstatě stejné a od bakterií se značně liší.
To vyvolává otázku: Pokud jsou archea příbuznější eukaryotům než bakterie, jak potom zapadají do stromu života?
Fylogenetický strom navržený Woesem byl rozdělen na tři stejné domény, přičemž archea a eukarya měly společného předka, který se již oddělil od bakterií. Biologové zabývající se vznikem života však nedávno dospěli k závěru, že Eukarya a Archaea nejsou sesterské skupiny. Místo toho jsou eukaryota přímými potomky archeí a náš dávno ztracený předek patří do superfylum „TACK“ Archaea. Jedním z nejzajímavějších nových objevů minulého roku byla identifikace „chybějícího článku“ mezi skupinami Eukarya a Archaea. Jsou nazývány Lokiarchaeota a byly nalezeny v blízkosti hydrotermálního průduchu na místě známém jako Lokiho hrad v Severním ledovém oceánu.
Můžeme využít našich znalostí o archeích ke sledování původu složitého života? Eukaryotické mikrofosilie lze datovat do doby před 1,8 miliardy let, ale biologický metan byl nalezen v horninách starých 3,4 miliardy let. Jediným zdrojem biologického metanu jsou metanogenní Euryarchaeota, takže víme, že archea existují od samého počátku života na Zemi. Pokud jde o život na jiných planetách, je lákavé spekulovat, že archea mohla kolonizovat i Mars – přibývá důkazů, že metan v marťanské atmosféře má biologický původ.
DR THORSTEN ALLERS Z NOTTINGHAMSKÉ UNIVERZITY VYSVĚTLUJE, JAK BYLY TYTO FASCINUJÍCÍ MIKROORGANISMY POPRVÉ OBJEVENY – A JAK NÁM MOHLY PŘIPOMENOUT NAŠE VLASTNÍ MÍSTO NA STROMU ŽIVOTA.
Woeseova revoluce
Co znamenají nedávné objevy pro nás lidi? Vzhledem k naší touze po dichotomii by se nám mělo ulevit, že strom života byl ořezán pouze na dvě základní větve – bakterie a archea. A více než čemukoli jinému bychom měli vzdát hold Carlu Woesemu, jehož taxonomická revoluce nám umožnila vystopovat naše předky až k jejich skromným počátkům v podobě archeálních buněk.
UNIVERZÁLNÍ FYLOGENETICKÝ STROM V KOŘENOVÉ FORMĚ, ZOBRAZUJÍCÍ TŘI DOMÉNY.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
DALŠÍ ČTENÍ
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & ostatní (2015). Komplexní archea, která překlenují propast mezi prokaryoty a eukaryoty. Nature 521, 173-179.
Williams, T. A. & ostatní (2013). Archeální původ eukaryot podporuje pouze dvě primární domény života. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). K přirozenému systému organismů: návrh domén Archaea, Bacteria a Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.
.