Происхождение сложной жизни: учёные пересмотрели теорию эволюции эукариот

Международная группа биологов опубликовала исследование, пересматривающее классическую теорию происхождения эукариотических клеток — тех самых, из которых состоят все растения, животные и грибы. Используя суперкомпьютерное моделирование и «молекулярную археологию», авторы установили, что ключевое событие — приобретение митохондрии — было не единственным и не начальным. В формировании последнего общего предка всех эукариот участвовали как минимум две дополнительные группы бактерий, а также гигантские вирусы, которые служили «челноками» для переноса генов. Процесс занял сотни миллионов лет.

Эукариотическая клетка имеет ядро и органеллы — митохондрии, аппарат Гольджи. Основная теория последних десятилетий утверждает, что архея — одноклеточный организм без ядра — поглотила альфа-протеобактерию, которая превратилась в митохондрию, после чего у потомка развилась сложность. Эта теория не объясняла, почему у эукариот есть гены, свойственные другим группам бактерий, а также почему геном эукариот содержит много вирусных элементов.

Как учёные реконструировали прошлое

Команда биологов под руководством Тони Габальдона использовала вычислительные мощности Барселонского суперкомпьютерного центра, чтобы реконструировать набор генов и белков последнего общего предка всех эукариот. Для этого они сравнили геномы всех современных эукариот. Затем они вскрыли происхождение этих генов, сравнивая с базами данных бактерий, архей и вирусов. Чтобы избежать ошибок, они включали только самые сильные сигналы. Работа заняла более пяти лет.

В результате были найдены два особенно важных бактериальных сигнала: Myxococcota и Planctomycetota. Первая бактерия связана с метаболическими функциями, включая процессы, связанные с липидами и мембранами. Вторая обладает внутренними компартментами, необычными для бактериальных организмов. Planctomycetota представляют собой более древний сигнал, тогда как Myxococcota и бактерия, давшая начало митохондрии, демонстрируют сигналы, относящиеся к более раннему периоду. Это говорит о постепенном наращивании сложности.

Неожиданностью оказалось то, что геном последнего общего предка содержит гены, происходящие от гигантских вирусов Nucleocytoviricota. Эти вирусы имеют огромные геномы — до 2,5 миллионов пар оснований — и заражают одноклеточных эукариот, таких как амёбы и водоросли. В процессе становления эукариот эти вирусы могли переносить гены от бактерий к археям и обратно, ускоряя эволюцию. Этот механизм похож на то, как фаги, или бактериальные вирусы, переносят гены между бактериями, но для архей-предков это был новый инструмент.

Новая картина эволюции

Если классическая теория предполагает, что эукариотогенез был взрывным событием — архея проглотила бактерию, и из-за этого резко возникла сложность, — то новая работа рисует картину длительной совместной эволюции. Предки эукариот жили в микробных сообществах в архейском океане. Там они обменивались генами с разными бактериями, постепенно обзаводясь новыми метаболическими путями, мембранными системами и, наконец, митохондрией. Вирусы служили «ускорителями» обмена. Процесс растянулся на сотни миллионов лет.

«Долгое время мы объясняли происхождение сложных клеток как историю с двумя главными героями: археем и бактерией, которая породила митохондрии. Наше исследование предполагает, что это повествование неполно, и на сцене было больше актёров, включая другие группы бактерий и гигантские вирусы, которые могли способствовать обмену генами», — сказал Габальдон.

Почему это важно для всех нас

Понимание того, откуда взялись наши собственные клетки, важно не только для фундаментальной науки. Это знание может помочь в медицине и биотехнологии. Если мы поймём, как именно формировались клетки, мы сможем лучше понимать, как работают наши собственные клетки, как они стареют, как в них возникают болезни. Это может привести к новым методам лечения рака, сердечно-сосудистых заболеваний и других болезней, связанных с клеточным метаболизмом.

Кроме того, японские исследователи недавно обнаружили, что живые клетки рассеивают тепло намного медленнее, чем предсказывают законы классической физики. Нагретая область внутри клетки сохраняет повышенную температуру значительно дольше, чем эквивалентный объём в искусственной липосоме или в чистой воде. Это открытие может изменить наше представление о том, как работают клетки, и привести к новым технологиям в медицине и биотехнологии. Вопрос в том, как эти два открытия связаны — и что они могут рассказать нам о природе жизни. Ответ на этот вопрос, возможно, изменит всё.