Thermococcus gammatolerans – ein Flagellat-Archaeon, das in heißen, sauerstoffhungrigen Gewässern gedeiht. Beachten Sie das Flagellenbüschel. Diese Mikrobe lebt in Wasser heißer als etwa 160F. Creative Commons Angels Tapias. Klicken Sie auf das Bild für Lizenz und Link.

In den 1970er Jahren arbeitete ein obskurer Wissenschaftler namens Carl Woese (ausgesprochen „woes“) an etwas scheinbar Banalem: einen Weg zu finden, Bakterien zu klassifizieren.

Obwohl dies eine einfache Aufgabe zu sein scheint, hatten Bakterien allen bisherigen Versuchen hartnäckig widerstanden. Die traditionelle Methode – Unterschiede in Aussehen, Struktur und Stoffwechsel zu betrachten und sie irgendwie zu betrachten – war gescheitert. Bakterien sehen und verhalten sich oft sehr ähnlich, unabhängig von ihrer wahren evolutionären Beziehung.

Große Namen in der Mikrobiologie hatten das Problem längst aufgegeben. Aber Woese hatte eine Idee: was wäre, wenn Bakterien wissenschaftlich sortiert werden könnten, indem sie ihr genetisches Material verwenden, wie es in der RNA ausgedrückt wird, aus der ihre Ribosomen bestehen, die Proteinproduktionseinheiten der Zelle? Die meisten ribosomalen RNA-Mutationen sind für Nachkommen, die sie erben, katastrophal, da Ribosomen für das Überleben einer Zelle von entscheidender Bedeutung sind und daher Veränderungen der ribosomalen RNA nur selten auftreten. Aber in den mehreren Milliarden Jahren, in denen mikrobielles Leben auf der Erde existiert hat, passieren sie, was dieses Molekül zu einem vielversprechenden Ziel für die Beurteilung von Beziehungen macht, die sich bis in die tiefe Zeit erstrecken.Nach etwa einem Jahrzehnt, in dem ribosomale RNA mühsam in kleine Stücke gespalten und auf diese sortierten Stücke auf Fotofilmen gestarrt wurde, die an Leuchtkästen befestigt waren – unzählige Stunden Langeweile, angeheizt von Dr. Pepper und Kämpfen an einer Klimmzugstange – Woese war auf dem besten Weg, einen bakteriellen Stammbaum zu erstellen.

Dann passierte etwas Unerwartetes. Ein Kollege namens Ralph Wolfe schlug vor, seine Methode an einer ungewöhnlichen Gruppe von Bakterien auszuprobieren, die Methan herstellten. Obwohl sie in einer nudelartigen Vielfalt von Formen vorkamen, schienen ihre Biochemie und ihr Stoffwechsel gleich zu sein. Dieser Auszug aus einem wissenschaftlichen Artikel von Virginia Morell aus dem Jahr 1997 fängt den Schock dessen ein, was als nächstes geschah:

Aber als Woese ihre Sequenzen untersuchte, registrierten sich die Methanogene nicht als Bakterien. „Ihnen fehlten völlig die Oligonukleotidsequenzen, die ich als charakteristisch für Bakterien erkannt hatte“, erklärt er. Er dachte, die Probe sei irgendwie kontaminiert gewesen, und ließ eine neue Probe laufen. „Und dann kam Carl den Flur hinunter und schüttelte den Kopf“, sagt Wolfe. „Er sagte mir:‘Wolfe, diese Dinger sind nicht einmal Bakterien.‘ Und ich sagte, ‚Jetzt beruhige dich, Carl; raus aus dem Orbit. Natürlich sind sie Bakterien; Sie sehen aus wie Bakterien.“Aber wie Woese jetzt wusste, bedeutete Morphologie in Bakterien nichts. Nur ihre Moleküle erzählten die Geschichte. Und die Moleküle verkündeten, dass die Methanogene nicht wie andere Prokaryoten oder Eukaryoten waren — sie waren etwas für sich, ein dritter Zweig des Lebens.

Carl Woese im Jahr 2004. Creative Commons Don Hamerman. Klicken Sie auf das Bild für Lizenz und Quelle.

„Wolfe, diese Dinger sind nicht einmal Bakterien.“ Als ich diesen Satz las, lief mir ein Schauer über den Rücken. Nur wenige Menschen auf der Erde erleben jemals eine Art schleierhebenden Moment dieser Größenordnung – Einstein, Newton, Kepler usw. aber der bescheidene Carl Woese war ein anderer. Er war auf eine schöne neue Welt von Mikroben gestoßen, die für unsere Augen wie Bakterien aussahen, aber biochemisch und physisch so einzigartig waren, dass sie sich letztendlich als enger mit uns verwandt erwiesen haben als mit ihnen. Er war über eine völlig neue Lebensform gestolpert, genau hier auf der Erde.

Carl Woese starb am Dez. 30. Woese bleibt wenig bekannt, auch unter nicht-mikrobiellen Biologen, sondern vor allem in der Öffentlichkeit. Er ertrug ein Jahrzehnt oder mehr Skepsis, Spott und Ächtung, bevor seine Beobachtungen akzeptiert wurden, und war zutiefst verletzt von der ersten Reaktion; Sie können und sollten mehr darüber in der Science Feature Story lesen, die ich oben ausgeschnitten habe (kostenpflichtiger Zugang erforderlich). In den letzten Jahren haben einige – darunter die Redaktion von Nature Reviews Microbiology – darauf gedrängt, dass Woese für seine Beiträge den Nobelpreis erhält. Nun, das wird niemals passieren *.

Aber Woese ist nicht der einzige unbesungene Held in dieser Geschichte**. Die Organismen, die er enthüllte – die Archaeen – sind faszinierende und reichlich vorhandene Kreaturen, die jedoch selbst innerhalb der Grenzen des Mikrobiologieunterrichts kaum eingehend diskutiert werden. Das ist eine Schande. Archaeen sind überall – in Tiefseeschlössern, in Salinen, im Eis, im Meerwasser, im Boden und in dir. Und sie verdienen eine bessere Publicity.

Betrachten Sie die folgenden interessanten Punkte zur dritten Domäne:

Archaeen machen DNA und RNA auf eine Weise, die wie wir aussieht – was eine interessante Sache impliziert

In vielerlei Hinsicht sehen Archaeen eher wie wir aus als Bakterien – aber man muss genau hinschauen, um es zu sehen. „Wir“ wären die Eukaryoten, die Lebensformen, die ihre DNA in Paketen beherbergen, die Kerne genannt werden (neben vielen anderen Merkmalen). Die Gruppe umfasst so ziemlich alles außer Archaeen und Bakterien.Archaeen besitzen DNA- und RNA-Polymerasen – Enzyme, die DNA und RNA replizieren -, die wie einfachere Versionen derjenigen aussehen, die in Eukaryoten gefunden werden. Und ihre einzelnen zirkulären Chromosomen können mehr als einen Replikationsursprung haben, wie Eukaryoten, aber im Gegensatz zu Bakterien.Um ihre DNA so zu verdichten, dass sie in eine Zelle passt, verwenden Bakterien ein Protein namens Gyrase, um ihre DNA zu Spulen zu verdrehen. Archaeen tun dies auch, aber sie wickeln ihre DNA auch um Proteine, die Histone genannt werden, die wiederum wie einfachere Versionen der Histone aussehen, um die Eukaryoten ihre DNA wickeln. Soweit ich weiß, besitzen Bakterien keine Histone.Diese überzeugenden Ähnlichkeiten – von denen es tiefere in der biochemischen Analyse gibt, die ich für den Raum auslasse – zwischen archaealen und eukaryotischen Zellen haben einige dazu gebracht, dass zusätzlich zu der bakteriellen Verschlingung / Symbiose, die Mitochondrien und Chloroplasten schuf, eine andere mysteriösere Symbiose oder Chimärismus zwischen einem alten Archaeon und Bakterium aufgetreten sein könnte, um die erste proto-eukaryotische Zelle zu produzieren. Oder es könnte darauf hindeuten, dass sich Eukaryoten tatsächlich aus Archaeen entwickelt haben. Dies ist eine heiß diskutierte Idee, für die Sie unten weitere Beweise sehen werden.

Archaeale Außenbeschichtungen sind anders als alles andere auf der Erde

Bakterielle und eukaryotische Membranlipide haben die gleiche allgemeine Struktur (zweite vom oberen Molekül unten): Eine Phosphatgruppe (grün), die an ein Glycerin (rot) gebunden ist, bildet den Kopf des Lipids, während zwei Fettsäuren aus dem Schwanz (rosa). Wie Bakterien sind auch die Glycerinköpfe unserer Lipide mit ihren Fettsäureschwänzen mit Esterbindungen verbunden (gelb).

Archaeale Membranlipide sehen sowohl von Bakterien als auch von Eukaryoten sehr, sehr unterschiedlich aus (oberes Molekül, oben). Archaeen haben Schwänze, die aus Einheiten der verzweigten Chemikalie Isopren anstelle von Fettsäuren bestehen, und ihre 20 Kohlenstoffschwänze werden Phytanylgruppen genannt (ich nominiere Phytanyl für Vokaleffizientes Wort der Woche). Diese Lipidschwänze können auf noch komplexere Weise verzweigt sein als oben gezeigt oder sogar Ringe enthalten (siehe unten) – verrückte Formen, die bakterielle und eukaryotische Membranlipide meines Wissens nie annehmen.

Crenarchaeol, ein beringtes, verzweigtes Monolayer-Membranlipid aus einem Archaeon. Gemeingut.

Ihre Phytanylschwänze sind hauptsächlich mit ihren Glycerinen verbunden, wobei Ether- und nicht Esterverbindungen verwendet werden (siehe 2 oben), die der Zerstörung besser widerstehen als Ester. Und ihre Glycerine haben eine entgegengesetzte Händigkeit zu den Glycerinen in unseren Membranlipiden (beachten Sie die Spiegelorientierung in den bakteriellen und archaealen Lipiden in Abbildung).

Molekulare Händigkeit – Chiralität in der Chemie – ist keine Sache, die durch Evolution leicht verändert werden kann. Zum Beispiel ist die überwiegende Mehrheit der Proteinbausteine, die Aminosäuren genannt werden, die vom Leben auf der Erde verwendet werden, ausschließlich „linkshändig“. Warum? Niemand weiß es wirklich, obwohl einige Vermutungen haben. Sobald lefty Aminosäuren übernahm, gab es biochemisch kein Zurück mehr – die Enzyme waren auf eine bestimmte Art und Weise aufgebaut und das war es. So, Dass archaeale und bakterielle Enzyme Glycerine mit entgegengesetzter Händigkeit verwenden, impliziert, dass sich Bakterien und Archaeen vor langer Zeit getrennt haben, vor langer Zeit.

Einige archaeale Lipide haben eine Eigenschaft, die bei Bakterien oder Eukaryoten selten oder nie beobachtet wird. Bakterien und Eukaryoten haben Membranen aus Lipiddoppelschichten, die aneinander vorbeifließen (# 9). Aber archaeale Phytanylschwänze können kovalent miteinander verbunden sein, um eine Lipidmonoschicht zu bilden (siehe # 10 und das Bild von Crenarchaeol oben).Zwei Köpfe; ein Körper – eine Membranhydra.

Die verzweigten und retikulären Phytanylschwänze und die Lipidmonoschichten scheinen alle Anpassungen an Verbrühungstemperaturen zu sein. Sie können helfen, Membranlecks oder das Abblättern einer Doppelschicht in den wässrigen und oft sauren Infernos, in denen hyperthermophile Archaeen leben, zu verhindern.

Sie können auch beobachten, dass unsere Lipide im Gegensatz zu den meisten unserer genetischen und Proteinherstellungsmaschinen Bakterien viel mehr ähneln als Archaeen. Ist das auch ein Beweis für einen alten Chimärismus?

Die mysteriöse Abwesenheit von archaealen Parasiten und Pathogenen

Es wurden keine offensichtlich parasitären oder pathogenen Archaeen gefunden. Das heißt nicht, dass sie nicht existieren. Archaeen existierten lange bevor wir sie fanden, und jetzt sehen wir, dass sie überall sind. Mehr dazu in einer Minute.

Aber dies ist ein Punkt, über den man nachdenken sollte (eine talmudische Frage, a la kleine Dinge?): warum scheint es keine offensichtlichen Parasiten oder Krankheitserreger in der Domäne zu geben? Bakterien und Eukaryoten haben unzählige böse Parasiten hervorgebracht, von Syphillis über Wanzen bis hin zu Misteln und nigerianischen Craigslist-Betrügern, und mir erscheint es sehr seltsam, dass eine ganze Domäne frei von ihnen sein sollte.

Ist die Chemie der Archaeen so einzigartig, dass sie schlecht gerüstet sind, um in höheren Organismen zu leben? Nein, das scheint sicherlich nicht der Fall zu sein, wie wir unten sehen werden. Warum sind sie nie auf die dunkle Seite gegangen? Ist es etwas Grundlegendes an ihrem Stoffwechsel oder ihrer Chemie?Das nächste, was wir einem potentiell pathogenen oder parasitären Archaeon gefunden haben, ist Nanoarchaeum equitans, eine der kleinsten Zellen der Welt. Es ist überall in hydrothermalen Quellen zu finden, von den Gipfeln der Kontinente – wie dem Obsidianpool in Yellowstone – bis in die Tiefen der Ozeane – wie dem Mittelozeanischen Rücken in der Nähe von Island und unter dem Arktischen Ozean, eine Verteilung, die es wert ist, darüber nachzudenken, was sie impliziert.

Wo immer es gefunden wird, lebt es ausschließlich auf der Oberfläche eines viel größeren Archaeons, Ignicoccus. Bis zu 10 N. Equitane können die Oberfläche eines einzelnen Ignicoccus beschichten. Nanoarcheum kann keine Lipide, die meisten Nukleotide (die Bausteine von DNA und RNA) oder Aminosäuren synthetisieren. Es muss sie nehmen (stehlen? tauschen Sie sie aus?) von Ingnicoccus.

Aber im Gegensatz zu anderen mikrobiellen Parasiten hat N. equitans alles Notwendige, um seine eigene DNA zu reparieren und DNA-, RNA- und Proteinsynthese durchzuführen. Obwohl es eindeutig nicht ohne Ignicoccus leben kann, ist noch unklar, ob es sich um einen Symbionten oder einen Parasiten handelt.

Dieser Mangel an offensichtlichen Gemeinheiten bedeutet auch nicht, dass Archaeen * frei * von Parasiten oder Krankheitserregern sind. Im Gegenteil, viele Dinge verbrauchen Archaeen, und Archaeen beherbergen ein ganzes Spektrum einzigartig geformter DNA-Viren (Spindeln, Stöcke und Tränen), die in denselben höllischen Umgebungen gedeihen, in denen Archaeen gezüchtet werden können.

Hier ist ein Archaeon namens Sulfolobus aus einer heißen Quelle in China mit mehreren spindelförmigen DNA-Viren:

Das hyperthermoacidophile Archaeon Sulfolobus tengchongensis und sein spindelförmiger Parasit, das Virus STSV1

Der seltsame Mangel an archaealen Pathogenen könnte auch zu Woeses Schwierigkeiten beigetragen haben, den Nobelpreis zu gewinnen. Es ist nicht der Nobelpreis für Biologie; es ist der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Und ohne offensichtliche archaeale Krankheiten wäre der Fall für seinen Preis notwendigerweise indirekt.

Archaeen sind überall

Als Archaeen der Welt vorgestellt wurden, galten sie viele Jahre lang als extremophile Spinner. Sie lebten an Orten wie Salinen, Hydrothermalquellen, heißen sauren Pools und von Methan befallenen Sümpfen. Sie waren nicht wie normale Mikroben.

Und in vielen Fällen ist das wahr, auf erstaunlich wunderbare Weise. Wir haben quadratische, flache Archaeen entdeckt, die sich wie Briefmarken in Salzpfannen in Blätter teilen. Sie verwenden Proteine, die (offensichtlich) Bakteriorhodopsine genannt werden und strukturell und funktionell dem Wirbeltieraugenprotein Rhodopsin ähnlich sind, um Energie aus Licht zu gewinnen. Andere Arten dieser salzliebenden Archaeen kommen in einer Vielzahl von polyedrischen Formen zusätzlich zu Quadraten, und manchmal verschieben Formen zwischen den Generationen.

Und dann gibt es den Stamm 121, benannt nach seiner Fähigkeit, nicht nur zu überleben, sondern sich bei 121C, der Abtötungstemperatur von Labor- und medizinischen Sterilisationsgeräten, zu vermehren. Vor seiner Entdeckung wurden keine Zellen gedacht, die fähig sind, 15 Minuten im 121C Haltetemperaturring von Autoklaven zu überleben. Stamm 121 kann bei Temperaturen bis zu 130C überleben und Experimente deuten darauf hin, dass es Archaeen-Arten gibt, die Temperaturen von 140 bis 150C tolerieren können. Damit Sie nicht vergessen, kocht Wasser bei 100C.

Aber Archaeen sind im Labor schwer zu kultivieren (wie die überwiegende Mehrheit der Mikroben). Was wäre, wenn noch mehr da draußen wären, versteckt, noch einmal, in Sichtweite?

Als wir anfingen, nach archaealer DNA zu suchen und uns nicht darum zu kümmern, die Leichen zu finden, entdeckten wir die Mikroben praktisch überall, wo wir hinschauten. Dazu gehören „normale“ Orte wie Meerwasser und Ozeansediment, Boden und der Darm und die Vagina von Säugetieren. Sie können 40% der mikrobiellen Biomasse im offenen Ozean ausmachen (Bakterien überwiegen sie immer noch etwa 3 zu 1) und können 20% der gesamten Biomasse der Erde ausmachen. Trotz ihres wärmeliebenden Rufs tauchen Archaeen auch an sehr kalten Orten auf, wie arktisches Meerwasser und Eis.

Zu unserer Überraschung haben wir supergroße filamentöse Archaeen gefunden, die fast groß genug sind, um mit bloßem Auge auf Mangrovenwurzeln zu sehen. Wir haben methanogene Archaeen gefunden, die mit Protozoen im Darm von Kühen und Termiten interagieren, um diesen Organismen zu helfen, Zellulose zur Energiegewinnung abzubauen. Wir haben sogar ein Archaeon gefunden, das symbiotisch mit – ausgerechnet – einem Schwamm lebt.

Zweifellos werden viele weitere seltsame und wundervolle Kreaturen auftauchen, sobald wir anfangen, Mikroben mit ihren DNA-Sequenzen abzugleichen – wenn wir nur darauf achten, hinzusehen.

*Nobelpreise werden nicht posthum vergeben, obwohl sie letztes Jahr in einem bemerkenswerten Fall eine Ausnahme gemacht haben.