Thermococcus gammatolerans-mrskat archaeon, které se daří v horkém, nedostává kyslík vody. Všimněte si chomáče bičíků. Tento mikrob žije ve vodě teplejší než asi 160F. Creative Commons Angels Tapias. Klikněte na obrázek Pro licenci a odkaz.

V roce 1970, temný vědec jménem Carl Woese (vyslovuje se „strasti“) pracoval na něčem, co se zdá spíše světské: najít způsob, jak klasifikovat bakterie.

i když se to může zdát jako přímočarý úkol, bakterie tvrdohlavě odolaly všem předchozím pokusům. Tradiční metoda – podívat se na rozdíly ve vzhledu, struktuře a metabolismu a tak nějak se na to dívat-selhala . Bakterie často vypadají a působí hodně podobně bez ohledu na jejich skutečný evoluční vztah.

Skvělá jména v mikrobiologii se problému vzdala už dávno. Ale Woese měl nápad: co kdyby bakterie mohly být vědecky tříděny pomocí jejich genetického materiálu, jak je vyjádřeno v RNA, která tvořila jejich ribozomy, jednotky produkce bílkovin v buňce? Většina mutací ribozomální RNA je pro potomky, kteří je dědí, katastrofická, vzhledem k tomu, že ribozomy mají zásadní význam pro udržení buňky naživu, a proto ke změnám v ribozomální RNA dochází jen zřídka. Ale během několika miliard let mikrobiální život na Zemi existuje, stávají se, což z této molekuly činí slibný cíl pro posuzování vztahů, které se táhnou do hlubokého času.

Po deseti letech nebo tak pracně štěpení ribozomální RNA na malé kousky a zíral na tyto seřazené bity na fotografické filmy připnout k světelné boxy — nespočet hodin nudy poháněný Dr. Pepper a záchvaty v chin-up baru … Woese byl na nejlepší cestě k tomu, bakteriální rodokmen.

pak se stalo něco nečekaného. Kolega jménem Ralph Wolfe navrhl, aby vyzkoušel svou metodu na neobvyklé skupině bakterií, které vyráběly metan. Ačkoli přišli v různých tvarech podobných těstovinám, jejich biochemie a metabolismus vypadaly podobně. Tento úryvek z roku 1997 Science článek Virginia Morell zachycuje šok z toho, co se stalo dál:

Ale když Woese studoval jejich sekvence, methanogens nezaregistroval jako bakterie. „Úplně jim chyběly oligonukleotidové sekvence, které jsem poznal jako charakteristické pro bakterie,“ vysvětluje. Myslel si, že vzorek byl nějak kontaminován, běžel nový. „A tehdy Carl přišel chodbou a zavrtěl hlavou,“ říká Wolfe. „Řekl mi:“ Wolfe, tyto věci nejsou ani bakterie.’A já řekl,‘ Teď se uklidni, Carle; vyjděte z orbity. Samozřejmě, jsou to bakterie; vypadají jako bakterie.“Ale jak Woese nyní věděl, morfologie v bakteriích nic neznamenala. Pouze jejich molekuly vyprávěly příběh. A molekuly prohlásily, že methanogeny nejsou jako žádný jiný prokaryot nebo eukaryot—byly něco pro sebe, třetí větev života.

Carl Woese v roce 2004. Creative Commons Don Hamerman. Klikněte na obrázek Pro licenci a zdroj.

“ Wolfe, tyhle věci nejsou ani bakterie.“Když jsem četl tu větu, běhal mi mráz po zádech. Jen pár lidí na Zemi někdy zažije jakýsi okamžik zvedání závojů takové velikosti-Einstein, Newton, Kepler atd. ale skromný Carl Woese byl jiný. Narazil na odvážný nový svět mikrobů, které vypadaly jako bakterie pro naše oči, ale ve skutečnosti byly tak biochemicky a fyzicky jedinečné, že se nakonec ukázaly být s námi více příbuzné než s nimi. Narazil na zcela novou formu života, přímo tady na Zemi.

Carl Woese zemřel prosince. 30. Woese zůstává málo známý, dokonce i mezi nemikrobiálními Biology, ale zejména mezi veřejností. Vydržel deset let nebo více, skepse, výsměchu, a ostrakismus před jeho připomínky byly přijaty a byl hluboce zraněn tím, že počáteční reakce; ty mohou a měly by si přečíst více o tom v Science funkci příběh, který jsem výňatek výše (pay přístup vyžadováno). V posledních letech, někteří-včetně redakční rady na Přírodu Recenze Mikrobiologie-tlačil na Woese na Nobelovu cenu za své příspěvky. To se nikdy nestane*.

ale Woese není jediným neopěvovaným hrdinou v tomto příběhu**. Organismy, které odhalil-archaea – jsou fascinující a hojná stvoření, přesto jsou stěží někdy diskutovány do hloubky, dokonce i v mezích mikrobiologických tříd. To je škoda. Archaea jsou všude – v hlubokých mořských průduchech, v solných bytech, v ledu, v mořské vodě, v půdě a ve vás. A zaslouží si lepší publicitu.

zvažte následující zajímavé body o třetí doméně:

Archaea vytváří DNA a RNA způsobem, který vypadá jako my – což znamená zajímavou věc

v mnoha ohledech vypadá archaea spíše jako my než bakterie-ale musíte se na to podívat pozorně. „My“ by byli eukaryoti, životní formy, které obsahují jejich DNA v paketech nazývaných jádra (mezi mnoha dalšími rysy). Skupina zahrnuje téměř všechno kromě archaea a bakterií.

Archea mají DNA a RNA polymerázy — enzymů, které replikují DNA a RNA-které vypadají jako jednodušší verze, které našel v eukaryot. A jejich jednotlivé kruhové chromozomy mohou mít více než jeden původ replikace, jako eukaryoty, ale na rozdíl od bakterií.

aby se jejich DNA dostatečně kondenzovala, aby se vešla do buňky, bakterie používají protein zvaný gyráza k zkroucení své DNA do svitků. Archaea udělat taky, ale mají také zábal jejich DNA kolem bílkovin zvaných histony, které opět vypadají jako jednodušší verze histony, kolem které eukaryot zábal jejich DNA. Pokud vím, bakterie nemají histony.

Tyto přesvědčivé podobnosti, z nichž je více hlouběji do biochemické plevele, které jsem pro vynechání prostoru-mezi archaeal a eukaryotických buněk vedl některé naznačují, že kromě bakteriální zážehové/symbiózy, který vytvořil mitochondrie a chloroplasty, některé další více tajemné symbióze nebo chimérismus může mít došlo mezi starobylé archaeon a bakterie produkovat první proto-eukaryotické buňky. Nebo to může naznačovat, že eukaryoty se ve skutečnosti vyvinuly z archaea. Toto je velmi diskutovaná myšlenka, a ten, pro který uvidíte další důkazy níže.

Archaeal Vnější Nátěry Jsou na Rozdíl od Nic Jiného na Zemi,

Bakteriální a eukaryotické membránové lipidy, které sdílejí stejné obecné struktury (druhá od shora molekuly níže): fosfátové skupiny (zelené), připojené na glycerol (červené) tvoří vedoucí lipidů, zatímco dvě mastné kyseliny z ocasu (růžová). Dále, stejně jako bakterie, jsou glycerolové hlavy našich lipidů spojeny s ocasy mastných kyselin esterovými vazbami (žlutými).

Archaeální membránové lipidy vypadají velmi, velmi odlišně od bakterií i od eukaryot(horní molekula, výše). Archaea mají ocasy postavené z jednotek rozvětveného chemického isoprenu místo mastných kyselin a jejich 20-uhlíkové ocasy se nazývají fytanylové skupiny (nominuji fytanyl pro samohlásky účinného slova týdne). Tyto lipidové ocasy mohou být rozvětvené v i složitější způsoby, než je uvedeno výše, nebo dokonce začlenit kroužky(viz níže) — bláznivé tvary, které bakteriální a eukaryotické membránové lipidy nikdy, pokud vím.

Crenarchaeol, prstencové, rozvětvené jednovrstvé membrány lipidů z archaeon. Veřejnost.

Jejich phytanyl ocasy jsou primárně závislý na žádné jejich použití éteru, ne esterové vazby (viz 2 výše), které jsou odolné proti zničení lepší než estery. A jejich glyceroly mají opačnou ruku než glyceroly v našich membránových lipidech (všimněte si zrcadlové orientace v bakteriálních a archaeálních lipidech na obrázku).

molekulární handedness — chiralita v chemii-mluvit-není věc, kterou evoluce snadno změní. Například drtivá většina proteinových stavebních bloků nazývaných aminokyseliny používané životem na Zemi jsou výhradně „leváky“. Proč? Nikdo to opravdu neví, i když někteří mají odhady. Jakmile lefty aminokyseliny převzaly, nebylo cesty zpět biochemicky-enzymy byly nastaveny určitým způsobem a to bylo vše. To znamená, že archaeální a bakteriální enzymy používají glyceroly s opačnou handedness znamená, že bakterie a archea rozešli dávno, dávno.

některé archaeální lipidy mají vlastnost, která je zřídka nebo nikdy pozorována u bakterií nebo eukaryot. Bakterie a eukaryoty mají membrány vyrobené z lipidových dvojvrstv, které protékají kolem sebe (#9). Ale archaeální fytanylové ocasy mohou být kovalentně spojeny k sobě za vzniku lipidové monovrstvy (viz #10 a obrázek crenarchaeolu výše).Dvě hlavy, jedno tělo, membránová hydra.

rozvětvené a síťované fytanylové ocasy a lipidové monovrstvy se zdají být adaptací na teploty opaření. Mohou pomoci zabránit úniku membrány nebo odlupování dvouvrstvé vrstvy ve vodnatých a často kyselých peklech, ve kterých žije hypertermofilní archea.

můžete také pozorovat, že na rozdíl od většiny našich genetických a proteinových výrobních strojů se naše lipidy podobají bakteriím mnohem více než archaea. Je to také důkaz dávného chimerismu?

záhadná nepřítomnost Archaeálních parazitů a patogenů

nebyla nikdy nalezena žádná zjevně parazitická nebo patogenní archaea. To neznamená, že neexistují. Archaea existovala dlouho předtím, než jsme je našli, a teď vidíme, že jsou všude. Více o tom za minutu.

ale to je bod, který stojí za zamyšlení (Talmudická otázka, A La malé věci?): proč se zdá, že v doméně nejsou žádné zjevné parazity nebo patogeny? Bakterie a eukaryota mají plodil nespočet ošklivých parazitů z syphillis, aby štěnice na jmelí na Nigerijské Craigslist podvodníky, a mi to zdá velmi divné, že celá doména by měla být bez nich.

je archaeální chemie tak jedinečná, že jsou špatně vybavena k životu uvnitř vyšších organismů? Ne, zdá se, že tomu tak rozhodně není, jak uvidíme níže. Tak proč nikdy nepřešli na temnou stranu? Je to něco zásadního na jejich metabolismu nebo chemii?

nejbližší věc, kterou jsme našli na potenciálně patogenní nebo parazitární archaeon je Nanoarchaeum equitans, jeden ze světově nejmenší buňky. To je nalezené v hydrotermální průduchy všude z vrcholů kontinentů-jako Obsidián Bazén v Yellowstonu — do hlubin oceánů-jako Mid-Ocean Ridge poblíž Islandu a pod arktickým Oceánem, rozdělení, které je samo o sobě stojí za to přemýšlel, co to znamená.

kdekoli se nachází, žije výhradně na povrchu mnohem většího archaeonu, Ignicoccus. Až 10 N. equitans může pokrýt povrch individuálního Ignicoccus. Nanoarcheum nemůže syntetizovat lipidy, většinu nukleotidů (stavební kameny DNA a RNA) nebo aminokyseliny. Musí je vzít (ukrást? vyměnit je?) z Ingnicoccus.

ale na rozdíl od jiných mikrobiálních parazitů má N. equitans vše potřebné k opravě vlastní DNA a provádění syntézy DNA, RNA a proteinů. I když zjevně nemůže žít bez Ignicoccus, zda je to symbiont nebo parazit, je stále nejasné.

tento nedostatek zjevných nastií také neznamená, že archaea jsou * prosté * parazitů nebo patogenů. Naopak, spousta věcí, které konzumují archaea, a archaea hrát hostitele pro celé spektrum jednoznačně ve tvaru (vřetena, hole, a slzy) DNA viry, které se daří ve stejné pekelné prostředí, které může chovat archaea.

zde je archaeon zvaný Sulfolobus z horkého pramene v Číně, který má několik vřetenovitých DNA virů:

hyperthermoacidophile archaeon Sulfolobus tengchongensis a jeho vřeteno-tvarovaný, parazit, virus STSV1

podivné nedostatek archaeal patogeny mohou rovněž přispět k Woese je problém v Nobelovku. Není to Nobelova cena za biologii, je to Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu. A bez zjevných archaeálních onemocnění by případ jeho ceny byl nutně nepřímý.

Archaea jsou všude

Když byla archaea odhalena světu, byli po mnoho let považováni za extremofilní podivíny. Žili v místech, jako jsou solné byty, hydrotermální průduchy, horké kyselé bazény, a bažiny zamořené metanem. Nebyly jako normální mikroby.

a v mnoha případech, to je pravda, neuvěřitelně úžasnými způsoby. Objevili jsme čtvercové, ploché archea, které se dělí na listy jako poštovní známky žijící v solných pánvích. Používají bílkoviny zvané (eroneously, samozřejmě) bacteriorhodopsins, které jsou strukturálně a funkčně podobné-i když se vyvinul zcela nezávisle-na obratlovců oko protein rhodopsin, aby se energie ze světla. Jiné druhy těchto archaea milujících sůl přicházejí kromě čtverců v různých polyhedrálních tvarech a někdy mění tvary mezi generacemi.

poštovní razítko jako list náměstí buňky Halquadratum walsbyi. Veřejnost. Klikněte na obrázek pro zdroj.

A pak je tam Kmen 121, pojmenovaný pro jeho schopnost nejen přežít, ale množit při 121C, zabít teplota laboratorní a lékařské sterilizační zařízení. Před jeho objevem nebyly žádné buňky schopné přežít 15 minut v 121c udržovacím teplotním kruhu autoklávů. Kmen 121 může přežít při teplotách až do 130 ° C a experimenty naznačují, že může být archaeal druhy, které snáší teploty od 140 do 150 ° C. Nezapomínej, že voda vře při 100C.

Ale archaea jsou těžké kultura v laboratoři (stejně jako drtivá většina mikrobů). Co kdyby jich tam venku bylo víc, schovaných, opět na očích?

Když jsme začali hledat archaeální DNA a nestarali jsme se o nalezení těl, objevili jsme mikroby prakticky všude, kam se podíváme. To zahrnuje „normální“ místa, jako je mořská voda a oceánský sediment, půda, a savčí střeva a vagina. Mohou tvořit 40% mikrobiální biomasy v otevřeném oceánu (bakterie je stále převyšují asi 3 až 1) a mohou tvořit 20% celkové biomasy země. Navzdory své pověsti milující teplo, Archaea se také objevují na velmi chladných místech, jako je arktická mořská voda a LED.

K našemu překvapení jsme našli super-velké vláknité archaea skoro dost velké, aby vidět pouhým okem žijí v mangrovových kořeny. Našli jsme metanogenní archea, které interagují s prvoky ve střevech krav a termitů, aby pomohly těmto organismům rozložit celulózu na energii. Dokonce jsme našli archaeona, který žije symbioticky s houbou.

bezpochyby se objeví mnoho dalších podivných a úžasných tvorů, jakmile začneme porovnávat mikroby s jejich sekvencemi DNA-pokud se jen chceme podívat .

* Nobelovy ceny se neudělují posmrtně, i když loni v pozoruhodném případě udělaly výjimku.