Oamenii de știință sunt de acord în mare măsură că viața complexă a apărut după ce două tipuri de microbi foarte diferiți au format un parteneriat strâns. Această fuziune a dus în cele din urmă la apariția plantelor, animalelor și ciupercilor, cunoscute colectiv sub numele de eucariote. Cu toate acestea, o întrebare cheie a persistat ani de zile. Cum s-au întâlnit aceste două organisme dacă unul avea nevoie de oxigen pentru a supraviețui, în timp ce se credea că celălalt prospera doar în medii fără oxigen?
Cercetătorii de la Universitatea din Texas din Austin raportează acum dovezi care ar putea rezolva acest puzzle. Scriind în jurnalul Nature, echipa s-a concentrat pe un grup de microbi numiți Asgard archaea, care sunt considerați rude apropiate ale strămoșilor vieții complexe. Deși majoritatea Asgardilor cunoscuți trăiesc în adâncurile oceanului sau în alte medii sărace în oxigen, noul studiu arată că unii membri ai acestui grup pot tolera sau chiar utiliza oxigenul. Descoperirea întărește teoria de lungă durată conform căreia viața complexă a evoluat așa cum era de așteptat, probabil într-un mediu în care oxigenul era prezent.
„Majoritatea Asgardilor vii astăzi au fost găsiți în medii fără oxigen”, a explicat Brett Baker, profesor asociat de științe marine și biologie integrativă la UT. „Dar se pare că cei mai apropiați de eucariote trăiesc în locuri cu oxigen, cum ar fi sedimentele costiere de mică adâncime și plutirea în coloana de apă, și au o mulțime de căi metabolice care utilizează oxigen. Aceasta sugerează că strămoșul nostru eucariot avea probabil și aceste procese.”
Evenimentul Marii Oxidări și Eucariotele Timpurii
Echipa lui Baker studiază genomurile Asgard archaea pentru a identifica noi ramuri ale grupului și pentru a înțelege mai bine modul în care acești microbi generează energie. Ultimele lor descoperiri se aliniază cu ceea ce geologii și paleontologii au reconstituit despre atmosfera timpurie a Pământului. Acum mai bine de 1,7 miliarde de ani, nivelurile de oxigen din atmosferă erau extrem de scăzute. Apoi, concentrațiile de oxigen au crescut brusc în timpul a ceea ce oamenii de știință numesc Evenimentul Marii Oxidări, ajungând în cele din urmă la niveluri similare cu cele de astăzi. La câteva sute de mii de ani de la această creștere dramatică, cele mai vechi microfosile cunoscute de eucariote apar în înregistrările fosile. Această sincronizare strânsă sugerează că oxigenul ar fi putut juca un rol crucial în apariția vieții complexe.
„Faptul că unii dintre Asgard, care sunt strămoșii noștri, au fost capabili să folosească oxigenul se potrivește foarte bine cu acest lucru”, a spus Baker. „Oxigenul a apărut în mediu, iar Asgard s-au adaptat la asta. Au găsit un avantaj energetic în utilizarea oxigenului și apoi au evoluat în eucariote.”
Simbioza și Nașterea Mitocondriilor
Modelul predominant susține că eucariotele au apărut atunci când un arheon Asgard a format o relație simbiotică cu o alfaproteobacterie. De-a lungul timpului, cele două organisme au fost integrate într-o singură celulă. Alfaproteobacteria a evoluat în cele din urmă în mitocondrii, structura din interiorul celulelor eucariote care produce energie.
În acest studiu, cercetătorii au extins semnificativ diversitatea genetică cunoscută a Asgard archaea. Ei au identificat grupuri specifice, inclusiv Heimdallarchaeia, care sunt deosebit de strâns legate de eucariote, dar sunt relativ rare astăzi.
„Aceste Asgard archaea sunt adesea ratate de secvențierea cu acoperire redusă”, a spus co-autorul Kathryn Appler, cercetător postdoctoral la Institutul Pasteur din Paris, Franța. „Efortul masiv de secvențiere și stratificarea metodelor de secvențiere și structurale ne-au permis să vedem modele care nu erau vizibile înainte de această expansiune genomică.”
Efort Masiv de Secvențiere a Genomului
Lucrarea a început cu cercetarea de doctorat a lui Appler la Institutul de Științe Marine al Universității din Texas în 2019, când a extras ADN din sedimente marine. Echipa UT și colaboratorii au asamblat în cele din urmă peste 13.000 de noi genomuri microbiene. Proiectul a combinat mostre de la mai multe expediții marine și a necesitat analizarea a aproximativ 15 terabyți de ADN de mediu. Din acest set de date extins, cercetătorii au recuperat sute de noi genomuri Asgard, dublând aproape diversitatea genomică cunoscută a grupului. Comparând similaritățile și diferențele genetice, ei au construit un arbore al vieții extins Asgard archaea. Genomurile nou identificate au dezvăluit, de asemenea, grupuri de proteine necunoscute anterior, dublând numărul de clase enzimatice recunoscute în cadrul acestor microbi.
Analiza AI a Proteinelor Metabolismului Oxigenului
Echipa a examinat apoi Heimdallarchaeia mai atent, comparând proteinele lor cu cele găsite în eucariotele care sunt implicate în producția de energie și metabolismul oxigenului. Pentru a face acest lucru, au folosit un sistem de inteligență artificială numit AlphaFold2 pentru a prezice formele tridimensionale ale proteinelor. Deoarece structura unei proteine determină modul în care funcționează, această analiză a oferit indicii importante. Rezultatele au arătat că mai multe proteine Heimdallarchaeia seamănă foarte mult cu cele utilizate de celulele eucariote pentru metabolismul eficient energetic, bazat pe oxigen. Această similaritate structurală oferă un sprijin suplimentar ideii că strămoșii vieții complexe erau deja adaptați la utilizarea oxigenului.