Thermococcus gammatolerans-en flagellat archaeon som trivs i varmt, syre-svalt vatten. Notera tuft av flagella. Denna mikrobe lever i vatten varmare än ca 160F. Creative Commons Angels Tapias. Klicka på bilden för licens och länk.

på 1970-talet arbetade en obskyr forskare vid namn Carl Woese (uttalad ”woes”) på något som tydligen var ganska vardagligt: att hitta ett sätt att klassificera bakterier.

även om det kan tyckas vara en enkel uppgift, hade bakterier envist motstått alla tidigare försök. Den traditionella metoden-att titta på skillnader i utseende, struktur och metabolism och slags ögonboll det-hade misslyckats. Bakterier ser ofta ut och agerar mycket lika oavsett deras sanna evolutionära förhållande.

stora namn inom mikrobiologi hade gett upp problemet för länge sedan. Men Woese hade en ide: vad händer om bakterier kunde sorteras vetenskapligt med hjälp av deras genetiska material, uttryckt i RNA som utgjorde deras ribosomer, cellens proteinproduktionsenheter? De flesta ribosomala RNA-mutationer är katastrofala för avkommor som ärver dem, med tanke på ribosomers kritiska betydelse för att hålla en cell vid liv, och därmed förändras ribosomalt RNA endast sällan. Men under flera miljarder år har mikrobiellt liv på jorden funnits, de händer, vilket gör denna molekyl till ett lovande mål för att bedöma relationer som sträcker sig in i djup tid.efter ett decennium eller så av mödosamt klyva ribosomalt RNA i små bitar och stirrar på dessa sorterade bitar på fotografiska filmer klippta till ljuslådor-otaliga timmar av tedium drivs av Dr.Pepper och anfall på en chin-up bar-Woese var väl på väg att göra en bakteriell släktträd.

då hände något oväntat. En kollega vid namn Ralph Wolfe föreslog att han försökte sin metod på en ovanlig grupp bakterier som gjorde metan. Även om de kom i en pasta-liknande olika former, deras biokemi och metabolism verkade lika. Detta utdrag från en 1997 vetenskaplig artikel av Virginia Morell fångar chocken av vad som hände nästa:

men när Woese studerade sina sekvenser registrerade metanogenerna inte som bakterier. ”De saknade helt oligonukleotidsekvenserna som jag hade kommit att känna igen som karakteristiska för bakterier,” förklarar han. Trodde att provet på något sätt hade förorenats, sprang han en ny. ”Och det var då Carl kom ner i hallen och skakade på huvudet”, säger Wolfe. ”Han sa till mig,” Wolfe, dessa saker är inte ens bakterier.’Och jag sa,’ nu, lugna ner, Carl; kom ut ur omloppsbana. Naturligtvis är de bakterier; de ser ut som bakterier.”Men, som Woese nu visste, betydde morfologi i bakterier ingenting. Endast deras molekyler berättade historien. Och molekylerna proklamerade att metanogenerna inte var som någon annan prokaryot eller eukaryot—de var något för sig själva, en tredje gren av livet.

Carl Woese 2004. Creative Commons Don Hamerman. Klicka på bilden för licens och källa.

”Wolfe, dessa saker är inte ens bakterier.”När jag läste den meningen sprang en kyla upp min ryggrad. Endast ett fåtal människor på jorden får någonsin uppleva ett slags slöjlyftande ögonblick av den storleken-Einstein, Newton, Kepler, etc., kom ihåg-men ödmjuk Carl Woese var en annan. Han hade snubblat på en modig ny värld av mikrober som såg ut som bakterier i våra ögon, men var faktiskt så unika biokemiskt och fysiskt att de i slutändan har visat sig vara närmare besläktade med oss än med dem. Han hade snubblat på en helt ny form av liv, här på jorden.

Carl Woese dog December. 30. Woese är fortfarande lite känd, även bland icke-mikrobiella biologer men särskilt bland allmänheten. Han uthärde ett decennium eller mer av skepsis, förlöjligande och ostracism innan hans observationer accepterades och blev djupt skadad av den första reaktionen; du kan och bör läsa mer om det i Science feature story jag utdrag ovan (pay access krävs). Under de senaste åren har vissa-inklusive redaktionen på Nature Reviews Microbiology-drivit på att Woese skulle få Nobelpriset för sina bidrag. Nu kommer det aldrig att hända*.

men Woese är inte den enda okända hjälten i den här historien**. Organismerna han avslöjade-archaea – är fascinerande och rikliga varelser, men diskuteras knappast någonsin på djupet, även inom gränserna för mikrobiologiska klasser. Det är synd. Archaea finns överallt – i djuphavsventiler, i saltlägenheter, i IS, i havsvatten, i jord och i dig. Och de förtjänar bättre publicitet.

Tänk på följande spännande punkter om den tredje domänen:

Archaea gör DNA och RNA på sätt som ser ut som oss-vilket innebär en intressant sak

på många sätt ser archaea mer ut som oss än bakterier-men du måste titta noga för att se det. ”Oss” skulle vara eukaryoterna, livsformerna som rymmer deras DNA i paket som kallas kärnor (bland många andra egenskaper). Gruppen innehåller i stort sett allt utom archaea och bakterier.

Archaea har DNA-och RNA-polymeraser-enzymer som replikerar DNA och RNA-som ser ut som enklare versioner av de som finns i eukaryoter. Och deras enda cirkulära kromosomer kan ha mer än ett ursprung av replikering, som eukaryoter men till skillnad från bakterier.

för att kondensera deras DNA tillräckligt för att passa in i en cell använder bakterier ett protein som kallas gyras för att vrida sitt DNA i spolar. Archaea gör detta också, men de lindar också sitt DNA runt proteiner som kallas histoner som igen ser ut som enklare versioner av histonerna runt vilka eukaryoter lindar sitt DNA. Så vitt jag vet har bakterier inte histoner.

dessa övertygande likheter – av vilka det finns djupare i de biokemiska ogräs som jag utelämnar för rymden-mellan archaeal och eukaryota celler har lett till att vissa föreslår att förutom den bakteriella uppslukningen/symbios som skapade mitokondrier och kloroplaster, kan någon annan mer mystisk symbios eller chimerism ha inträffat mellan en gammal archaeon och bakterie för att producera den första proto-eukaryota cellen. Eller det kan föreslå att eukaryoter faktiskt utvecklades från archaea. Detta är en hett debatterad IDE, och en för vilken du kommer att se ytterligare bevis nedan.

Archaeal yttre beläggningar är till skillnad från allt annat på jorden

bakteriella och eukaryota membranlipider delar samma allmänna struktur (andra från toppmolekylen nedan): en fosfatgrupp (grön) fäst vid en glycerol (röd) bildar lipidens huvud, medan två fettsyror från svansen (rosa). Vidare, som bakterier, är våra lipids glycerolhuvuden kopplade till deras fettsyra svansar med esterbindningar (gul).

Archaeal membranlipider ser väldigt annorlunda ut från både bakterier och från eukaryoter (toppmolekyl, ovan). Archaea har svansar byggda av enheter av den grenade kemiska isoprenen istället för fettsyror, och deras 20-kolsvansar kallas phytanylgrupper (jag nominerar phytanyl för vokal effektiv veckans ord). Dessa lipidsvansar kan förgrenas på ännu mer komplexa sätt än vad som visas ovan eller till och med införliva ringar(se nedan) – galna former som bakteriella och eukaryota membranlipider aldrig tar på sig, så vitt jag vet.

Crenarchaeol, en ringad, Grenad monolayer membran lipid från en archaeon. Public domain.

deras fytanylsvansar är främst anslutna till sina glyceroler med användning av eter, inte ester, kopplingar (se 2 ovan), som motstår förstörelse bättre än estrar. Och deras glyceroler har motsatt handedness till glycerolerna i våra membranlipider (notera spegelorientering i bakterie-och archaeallipiderna i figur).

Molekylär handedness-chirality in chemistry-speak – är inte en sak som förändras lätt genom evolutionen. Till exempel är de allra flesta proteinbyggnadsblock som kallas aminosyror som används av livet på jorden uteslutande ”vänsterhänt”. Varför? Ingen vet riktigt, även om vissa har gissningar. När Lefty aminosyror tog över, men det fanns ingen gå tillbaka biokemiskt-enzymerna sattes upp på ett visst sätt och det var det. Således innebär att archaeala och bakteriella enzymer använder glyceroler med motsatt handedness att bakterier och archaea skilde sig långt för länge sedan.

vissa archaeal lipider har en egenskap som sällan eller aldrig ses i bakterier eller eukaryoter. Bakterier och eukaryoter har membran gjorda av lipidbilayers som flyter förbi varandra (#9). Men archaeal phytanyl svansar kan kovalent bindas till varandra för att bilda ett lipidmonolager (se #10 och bilden av crenarchaeol ovan).Två huvuden; en kropp – en membranhydra.

de grenade och retikulära fytanylsvansarna och lipidmonolayerna verkar alla vara anpassningar till skållningstemperaturer. De kan hjälpa till att förhindra membranläckage eller avskalning av ett dubbelskikt i de vattna och ofta sura infernorna där hypertermofil archaea lever.

Du kan också observera att till skillnad från de flesta av våra genetiska och proteintillverkningsmaskiner liknar våra lipider bakterier mycket mer än archaea. Är det också bevis på en gammal chimerism?

den mystiska frånvaron av Archaeal parasiter och patogener

ingen uppenbarligen parasitisk eller patogen archaea har någonsin hittats. Det är inte att säga att de inte existerar. Archaea fanns långt innan vi hittade dem, och nu ser vi att de finns överallt. Mer om det på en minut.

men det här är en punkt som är värt att fundera över (en Talmudisk fråga, a la Small Things Considered?): varför verkar det inte finnas några uppenbara parasiter eller patogener i domänen? Bakterier och eukaryoter har gett upphov till otaliga otäcka parasiter från syphillis till bedbugs till mistel till nigerianska Craigslist scammers, och för mig verkar det väldigt konstigt att en hel domän borde sakna dem.

är archaeal kemi så unik att de är dåligt utrustade för att leva i högre organismer? Nej, det verkar verkligen inte vara fallet, som vi kommer att se nedan. Så varför har de aldrig korsat till den mörka sidan? Är det något grundläggande om deras ämnesomsättning eller kemi?

det närmaste vi har hittat till en potentiellt patogen eller parasitisk archaeon är Nanoarchaeum equitans, en av världens minsta celler. Det finns i hydrotermiska ventiler överallt från toppen av kontinenterna-som Obsidian Pool vid Yellowstone-till djupet av oceanerna-som Mid-Ocean Ridge nära Island och under ishavet, en fördelning som i sig är värt att fundera över vad det innebär.

varhelst den hittas lever den uteslutande på ytan av en mycket större archaeon, Ignicoccus. Upp till 10 N. equitaner kan belägga ytan på en enskild antändning. Nanoarcheum kan inte syntetisera lipider, de flesta nukleotider (byggstenarna i DNA och RNA) eller aminosyror. Det måste ta dem (stjäla dem? byt ut dem?) från Ingnicoccus.

men till skillnad från andra mikrobiella parasiter har N. equitans allt som behövs för att reparera sitt eget DNA och utföra DNA, RNA och proteinsyntes. Även om det helt klart inte kan leva utan Ignicoccus, är det fortfarande oklart om det är en symbiont eller en parasit.

denna brist på uppenbara nasties betyder inte heller att archaea är *fria* från parasiter eller patogener. Tvärtom konsumerar många saker archaea, och archaea spelar värd för ett helt spektrum av unikt formade (spindlar, käppar och teardrops) DNA-virus som trivs i samma helvetiska miljöer som kan föda upp archaea.

Här är en archaeon som heter Sulfolobus från en varm vår i Kina som sportar flera spindelformade DNA-virus:

hyperthermoacidophile archaeon Sulfolobus tengchongensis och dess spindelformade parasit, viruset STSV1

den konstiga bristen på archaeal patogener kan också ha bidragit till Woeses svårighet att vinna Nobel. Det är inte Nobelpriset i biologi; det är Nobelpriset i fysiologi eller medicin. Och utan några uppenbara archaeala sjukdomar skulle fallet för hans pris nödvändigtvis vara indirekt.

Archaea är överallt

När archaea avslöjades för världen, var de i många år betraktade som extremophile weirdos. De bodde på platser som saltlägenheter, hydrotermiska ventiler, Heta sura pooler och metaninfekterade myrar. De var inte som normala mikrober.

och i många fall är det sant, på förbluffande underbara sätt. Vi har upptäckt kvadratisk, platt archaea som delas upp i lakan som frimärken som lever i saltpannor. De använder proteiner som kallas (eroneously, uppenbarligen) bakteriorhodopsins som är strukturellt och funktionellt liknande-men utvecklats helt oberoende-till vertebrate eye protein rhodopsin för att göra energi från ljus. Andra arter av dessa saltälskande archaea finns i en mängd olika polyhedral former förutom kvadrater, och ibland skiftar former mellan generationer.

ett frimärke som ark av kvadratiska celler av Halquadratum walsbyi. Public domain. Klicka på bilden för källa.

och sedan finns det stam 121, uppkallad efter sin förmåga att inte bara överleva, utan att reproducera vid 121C, dödtemperaturen för laboratorie-och medicinsk steriliseringsutrustning. Före upptäckten ansågs inga celler kunna överleva 15 minuter i 121c-hålltemperaturringen av autoklaver. Stam 121 kan överleva vid temperaturer upp till 130C och experiment tyder på att det kan finnas archaeal arter som tål temperaturer på 140 till 150C. så att du inte glömmer, kokar vatten vid 100C.

men archaea är svåra att odla i labbet (liksom de allra flesta mikrober). Tänk om det fanns fler där ute, dolda, än en gång, i vanlig vy?

När vi började leta efter archaeal DNA och inte oroa oss för att hitta kropparna upptäckte vi mikroberna praktiskt taget överallt vi ser. Det inkluderar ”normala” platser som havsvatten och Havssediment, jord och däggdjurs tarm och vagina. De kan utgöra 40% av den mikrobiella biomassan i det öppna havet (bakterier överstiger dem fortfarande cirka 3 till 1) och kan utgöra 20% av jordens totala biomassa. Trots sitt värmeälskande rykte dyker Archaea också upp på mycket kalla platser, som arktiskt havsvatten och is.

till vår förvåning har vi hittat superstora filamentösa archaea nästan tillräckligt stora för att se med blotta ögat som lever på mangrove rötter. Vi har hittat metanogen archaea som interagerar med protozoer i tarmarna hos kor och termiter för att hjälpa dessa organismer att bryta ner cellulosa för energi. Vi har till och med hittat en arkeon som lever symbiotiskt med-av allt-en svamp.

utan tvekan kommer många fler konstiga och underbara varelser att dyka upp när vi börjar matcha mikrober med deras DNA-sekvenser-om vi bara bryr oss om att titta.

*Nobelpriset delas inte ut postumt, även om de gjorde ett undantag förra året i ett anmärkningsvärt fall.