Щоб виростити глибоководну архею з групи Локі, знадобилося 12 років і дитяча поживна суміш.
Кілька років тому в гідротермальних джерелах на Срединно-Атлантичному хребті, між Норвегією і Гренландією, виявили незвичайного мікроба. Вивчення його дозволило зрозуміти, як у живому світі виникли клітини тварин, рослин, грибів і взагалі всіх, кого називають еукаріотами. Це один з трьох доменів життя, два інших - бактерії та археї. Еукаріоти відрізняються від двох інших за цілою низкою важливих ознак - в їх клітинах є ядро, в якому зберігається генетичний матеріал, а також цілий набір клітинних органоїдів, зроблених з ліпідних мембран; крім того, у еукаріот є маса відмінностей на рівні базових молекулярних процесів, як-то: синтез білка, реплікація ДНК тощо.
Бактерій і архей (яких раніше називали архебактеріями) довгий час об'єднували разом, оскільки ні у бактерій, ні у архей немає ядра і мембранних органел, проте згодом виявилося, що одні досить сильно відрізняються від інших. Перераховувати відмінності ми не будемо, скажімо лише, що у архей виявили безліч особливостей, спільних з еукаріотами. І з археями ж пов'язана одна з головних гіпотез походження еукаріот.
Бактерії на Землі, очевидно, з'явилися раніше, і довгий час біологи не могли зрозуміти, як і звідки поруч з бактеріями з клітини з ядрами і внутрішньоклітинними складноорганізованими мембранами. І ось, коли археями зайнялися у всеозброєнні молекулярно-генетичних методів, виникла версія, що еукаріоти є результат симбіозу між звичайною бактерією і археєю.
Але в яких саме родинних відносинах знаходяться еукаріоти і археї, все одно залишалося неясним. З одного боку, і ті, і інші могли статися від одного спільного предка. З іншого боку, еукаріотична клітина могла виникнути всередині якоїсь вже сформованої архейної групи. Зробити вибір тут можна було б, якби знайшовся ще якийсь вид архей, за допомогою якого можна було б глибше прояснити генетичні взаємозв'язки між двома доменами.
Такою архією виявилася Lokiarchaea (система гідротермальних джерел, де її виявили, називається «Замком Локі»). Згодом стало ясно, що у Lokiarchaea є родичі - архея Тор (Thorarchaeota), архея Один (Odinarchaeota), архея Хеймдалль (Heimdallarchaeota); оскільки називали їх іменами скандинавських богів, що мешкають в Асгарді, то і всю групу назвали асгардськими археями.
За генетичними даними виходило, що Lokiarchaea виглядає так, як міг би виглядати предок еукаріотичних клітин, тобто як архея, що поглинула бактерію і налагодила з нею симбіоз. Найголовніше, що у археї Локі знайшлися гени, які дозволяють маніпулювати власною клітинною мембраною, робити на ній заплямування і випинання - ніякі інші бактерії і археї так робити не вміють, а без цього не можна поселити всередині себе ніякого симбіонта.
Є у Локі й інші гени, які більше схожі на гени еукаріот; більш детально ми писали про них п'ять років тому, коли в Nature вийшла стаття про цю архею. У архей Тора, Один і Хеймдалля теж знаходили «еукаріотоподібні» гени, і згодом виявилося, що ближче всіх з асгардських архей до еукаріотів знаходиться не Локі, а Хеймдалль.
Але всі ці результати були отримані тільки при аналізі геному, тобто при аналізі ДНК, яку вдалося виловити там, де археї Асгарда імовірно живуть. Жодного з асгардців не виходило вирощувати в лабораторії (що, насправді, цілком звичайна справа - підібрати відповідне живильне середовище і взагалі умови життя вдається лише для дуже небагатьох бактерій і архей). Відповідно, багато питань щодо біології асгардських архей залишалися без відповіді, багато результатів, отриманих тільки генетичним аналізом, неможливо було перевірити на живих мікробах; не кажучи вже про неминучі підозри, що всі ці результати вийшли через забруднення ДНК якихось архей звичайної еукаріотичної ДНК.
І ось зараз співробітники Японського науково-технологічного агентства досліджень землі і моря опублікували в Nature статтю, в якій кажуть, що їм вдалося виростити архею Локі в лабораторних умовах. Тільки потрібно відразу уточнити, що коли ми говоримо Lokiarchaea, тобто архея Локі, то мова йде не про один вид, а про якусь групу архій - тобто про архії Локі. Того мікроба їх групи Локі, якого вдалося виростити, автори роботи пропонують назвати Prometheoarchaeum syntrophicum.
Хіроюкі Іматі (Hiroyuki Imachi) почали намагатися вирощувати архей з морських донних відкладень більш ніж за шість років до того, як у 2015 році з'явилася стаття про Локі. Спочатку дослідники хотіли навчитися культивувати мікроорганізми, що розщеплюють метан - а це найчастіше як раз археї, що мешкають в майже безкислородних умовах; ті археї, з якими працювали дослідники, мешкають біля берегів Японії на глибині 2,5 км. Для них довелося спорудити біореактор, який підтримував температуру в 10 ° С, низький рівень кисню і низький рівень поживних речовин.
Через п'ять років роботи реактора в ньому виріс толстий конгломерат бактерій і архей, причому археї домінували, і серед них опинилася якраз одна з архей Локі - P. syntrophicum. Ще сім років знадобилося, щоб наростити її в достатній кількості, причому виявилося, що найбільш активно P. syntrophicum розмножується зовсім не тоді, коли умови точно копіюють дно морське, а коли температура вдвічі вища (тобто 20 ° С), а в поживному середовищі є амінокислоти, пептиди і добавка у вигляді дитячої поживної суміші.
Крім того, P. syntrophicum залежить від інших мікробів, які б утилізували продукти його метаболізму (до речі, P. syntrophicum виділяє в навколишнє середовище водень, як і було передбачено за генами архей Локі). Але навіть у сприятливих умовах мікроб розмножується дуже повільно - щоб поділитися, у нього йде 2-4 тижні.
Хоча ніяких клітинних органел, схожих на еукаріотичні, у P. syntrophicum немає, на поверхні його клітин є довгі і розгалужені випинання. З одного боку, такими випинаннями стародавня архея могла захопити бактерію для симбіозу, з іншого боку, подібні структури на поверхні є і у інших архей за межами групи асгардців.
Треба ще з'ясувати, для чого P. syntrophicum потрібні випинання на клітинах і як саме вони утворюються, за еукаріотичним механізмом чи ні. Оскільки для P. syntrophicum потрібна підтримка з боку інших мікробів, автори роботи вважають, що зародження еукаріот могло починатися не з двох мікробів (археї, що проковтнула і приручила бактерію), а з трьох - в тому сенсі, що археї-предку крім того, кого вона позначила всередині себе, потрібен був ще і зовнішній співробітник.
Тут знову ж таки потрібні більш докладні дослідження обміну речовин і генів як у P. syntrophicum, так і у його мікробних товаришів. Але, тим не менш, не можна не визнати, що вирощена (нехай і за 12 років) примхлива глибоководна архея - великий крок вперед для біологічної науки, незалежно від того, чи зможемо ми за допомогою цієї археї підтвердити або спростувати гіпотези про появу еукаріотичних клітин. Зрештою, не виключено, що тим же методом ми зможемо виростити в пробірці Тора, Одіна і Хеймдалля, який, як було сказано, за генами вважається найбільш близьким до нас, тобто до еукаріотів.
За матеріалами Nature.