Thermococcus gammatolerans — flagellate archaeon, joka viihtyy kuumissa, hapettomissa vesissä. Huomaa flagellan tupsu. Tämä mikrobi elää vedessä kuumempi kuin noin 160F. Creative Commons Angels Tapias. Klikkaa kuvaa saadaksesi lisenssin ja linkin.

1970-luvulla tuntematon tiedemies nimeltä Carl Woese (lausutaan ”woes”) kehitteli jotain ilmeisen arkista: löytää tapa luokitella bakteerit.

vaikka se saattaa vaikuttaa suoraviivaiselta tehtävältä, bakteerit olivat itsepäisesti vastustaneet kaikkia aiempia yrityksiä. Perinteinen menetelmä-ulkonäön, rakenteen ja aineenvaihdunnan erojen tarkasteleminen ja sen silmäily-oli epäonnistunut. Bakteerit näyttävät ja toimivat usein hyvin samanlaisilta riippumatta niiden todellisesta evoluutiosuhteesta.

mikrobiologian suuret nimet olivat luopuneet ongelmasta jo kauan sitten. Mutta Woesella oli idea.: entä jos bakteerit voitaisiin lajitella tieteellisesti käyttämällä niiden geneettistä materiaalia, joka ilmenee niiden ribosomien muodostamassa RNA: ssa, solun proteiinintuotantoyksiköissä? Useimmat ribosomaaliset RNA-mutaatiot ovat katastrofaalisia niitä periville jälkeläisille ottaen huomioon ribosomien kriittisen merkityksen solun elossa pitämiselle, ja siten ribosomaalisen RNA: n muutoksia tapahtuu vain harvoin. Mutta niiden miljardien vuosien aikana, joina mikrobielämä maapallolla on ollut olemassa, niitä tapahtuu, mikä tekee tästä molekyylistä lupaavan kohteen arvioida suhteita, jotka ulottuvat syvälle aikaan.

oltuaan vuosikymmenen verran vaivalloisesti pilkkomassa ribosomaalista RNA: ta pieniksi palasiksi ja tuijottamassa näitä lajiteltuja pätkiä valokuvausfilmeillä, jotka on leikattu valolaatikoihin — lukemattomia tunteja pitkäveteisyyttä, jota Dr. Pepper on tankannut ja jaksanut leuanvetotangolla — Woese oli hyvää vauhtia tekemässä bakteeriperäistä sukupuuta.

sitten tapahtui jotain odottamatonta. Kollega Ralph Wolfe ehdotti, että hän kokeilisi metodiaan epätavalliseen bakteeriryhmään, joka tekee metaania. Vaikka ne tulivat pastamaisen monenmuotoisina, niiden biokemia ja aineenvaihdunta näyttivät samanlaisilta. Tämä ote Virginia Morellin vuonna 1997 julkaisemasta Tiedeartikkelista kuvaa järkytystä siitä, mitä seuraavaksi tapahtui:

, mutta kun Woese tutki niiden sekvenssejä, metanogeenit eivät rekisteröityneet bakteereiksi. ”Heiltä puuttui kokonaan oligonukleotidisekvenssit, jotka olin oppinut tunnistamaan bakteereille ominaisiksi”, hän selittää. Koska hän luuli, että näyte oli jotenkin saastunut, hän teki uuden testin. ”Ja silloin Carl tuli käytävää pitkin päätään pudistellen”, Wolfe sanoo. ”Hän sanoi minulle: ’Wolfe, nämä eivät ole edes bakteereja. Sanoin: ”rauhoitu, Carl.; tule pois kiertoradalta. Ne ovat tietysti bakteereja, ne näyttävät bakteereilta.'”Mutta kuten Woese nyt tiesi, bakteerien morfologia ei merkinnyt mitään. Vain niiden molekyylit kertoivat tarinan. Ja molekyylit julistivat, että metanogeenit eivät olleet kuin muut prokaryootit tai eukaryootit—ne olivat jotain itselleen, elämän kolmas haara.

Carl Woese vuonna 2004. Creative Commons Don Hamerman. Klikkaa kuvaa saadaksesi lisenssin ja lähteen.

”Wolfe, nämä asiat eivät ole edes bakteereja.”Kun luin tuon lauseen, selkäpiitäni paleli. Vain harvat ihmiset maan päällä koskaan saavat kokea eräänlainen huntua nostava hetki, että magnitude — Einstein, Newton, Kepler, jne. nöyrä Carl Woese oli toinen. Hän oli törmännyt uljaaseen uuteen maailmaan mikrobeja, jotka näyttivät bakteereilta silmissämme, mutta olivat itse asiassa niin ainutlaatuisia biokemiallisesti ja fyysisesti, että ne ovat lopulta osoittautuneet läheisemmin sukua meille kuin heille. Hän oli törmännyt aivan uuteen elämänmuotoon täällä maan päällä.

Carl Woese kuoli joulukuussa. 30. Woese on edelleen vähän tunnettu, ei-mikrobibiologien keskuudessa, mutta erityisesti suuren yleisön keskuudessa. Hän kesti vuosikymmenen tai enemmän skeptisyyttä, pilkkaa, ja hyljeksintää ennen kuin hänen huomautuksensa hyväksyttiin ja oli syvästi loukkaantunut ensireaktio; voit ja pitäisi lukea lisää, että Science feature tarina otteen edellä (pay access vaaditaan). Viime vuosina jotkut-mukaan lukien Nature Reviews Microbiology-lehden toimituskunta-vaativat Woesea saamaan Nobelin palkinnon ansioistaan. Nyt, se ei koskaan tapahdu*.

mutta Woese ei ole tämän tarinan ainoa unohduksiin jäänyt sankari**. Hänen paljastamansa eliöt-arkaia-ovat kiehtovia ja runsaita olentoja, mutta niistä ei juuri koskaan keskustella syvällisesti, edes mikrobiologian luokkien puitteissa. Se on sääli. Arkhaiat ovat kaikkialla-syvänmeren tuuletusaukoissa, suolatasangoissa, jäässä, merivedessä, maaperässä ja sinussa. Ja he ansaitsevat parempaa julkisuutta.

harkitse seuraavia kiehtovia kohtia kolmannesta tieteenalasta:

Arkaiat tekevät DNA: sta ja RNA: sta tavalla, joka näyttää meiltä-mikä viittaa mielenkiintoiseen asiaan

monella tapaa arkaiat näyttävät enemmän meiltä kuin bakteereilta-mutta sitä on katsottava tarkkaan nähdäkseen. ”Me” olisivat eukaryootteja, elämänmuotoja, jotka piilottavat DNA: nsa ytimiksi kutsuttuihin paketteihin (monien muiden piirteiden joukossa). Ryhmään kuuluu suurin piirtein kaikki muu paitsi arkeonit ja bakteerit.

Arkaaeilla on DNA-ja RNA-polymeraaseja — entsyymejä, jotka monistavat DNA: ta ja RNA: ta — jotka näyttävät yksinkertaisemmilta versioilta eukaryooteista. Ja niiden yksittäisillä pyöreillä kromosomeilla voi olla useampi kuin yksi replikaation alkuperä, kuten eukaryooteilla, mutta toisin kuin bakteereilla.

tiivistääkseen DNA: nsa niin paljon, että se mahtuu solun sisään, bakteerit käyttävät gyraasi-nimistä proteiinia kiertääkseen DNA: nsa käämeiksi. Arkaiat tekevät tämänkin, mutta ne myös kietovat DNA: nsa histoneiksi kutsuttujen proteiinien ympärille, jotka taas näyttävät yksinkertaisemmilta versioilta histoneista, joiden ympärille eukaryootit kietovat DNA: nsa. Tietääkseni bakteereilla ei ole histoneja.

nämä pakottavat yhtäläisyydet — joita on syvemmällä biokemiallisissa rikkaruohoissa, joita jätän pois avaruudesta — arkaaisten ja eukaryoottisten solujen välillä ovat saaneet jotkut ehdottamaan, että sen lisäksi, että bakteerien nielaisema / symbioosi, joka loi mitokondriot ja kloroplastit, jokin muu salaperäisempi symbioosi tai kimeerisyys on saattanut tapahtua muinaisen arkaaionin ja bakteerin välillä, joka tuotti ensimmäisen proto-eukaryoottisen solun. Tai se voi viitata siihen, että eukaryootit itse asiassa kehittyivät arkaaiasta. Tämä on kiivaasti keskusteltu ajatus, ja yksi, josta näet lisää todisteita alla.

arkaaiset ulkopinnat ovat toisin kuin mikään muu maapallolla

bakteerien ja eukaryoottisten kalvolipidien yleisrakenne on sama (toinen ylhäältä molekyylistä alla): glyseroliin (punainen) kiinnittynyt fosfaattiryhmä (vihreä) muodostaa lipidin pään, kun taas pyrstöstä kaksi rasvahappoa (vaaleanpunainen). Edelleen, kuten bakteerit, meidän lipidien glyseroli päät ovat sidoksissa niiden rasvahappojen häntää esteri sidoksia (keltainen).

Arkaalikalvon lipidit näyttävät hyvin, hyvin erilaisilta sekä bakteereista että eukaryooteista (ylämolekyyli, yllä). Archaian pyrstöt on rakennettu rasvahappojen sijaan haarautuneen kemiallisen isopreenin yksiköistä, ja niiden 20-hiilisiä häntiä kutsutaan fytanyyliryhmiksi (nimeän fytanyylin viikon Vokaalisanaksi). Nämä lipidihännät voivat haarautua vielä monimutkaisemmilla tavoilla kuin yllä on esitetty tai jopa sisältää renkaita (KS. alla) — hulluja muotoja, joita bakteerien ja eukaryoottisten kalvojen lipidit eivät tietääkseni koskaan ota.

Krenarkeoli, rengastettu, haarautunut yksikerroksisen kalvon lipidi arkaeonista. Public domain.

niiden fytanyylihäntä kiinnittyy ensisijaisesti glyseroleihin eetterin, ei Esterin, avulla (KS.edellä 2), jotka kestävät paremmin tuhoutumista kuin esterit. Ja niiden glyseroleilla on vastakkainen kätisyys kalvomme lipidien glyseroleihin nähden (huomaa peilisuuntaus bakteerien ja arkaaisten lipidien kuvassa).

Molekyylikädellisyys — chirality in chemistry-speak — ei ole evoluution helposti muuttama asia. Esimerkiksi valtaosa maapallon elämän käyttämistä aminohapoiksi kutsutuista proteiinin rakennusaineista on yksinomaan ”vasenkätisiä”. Miksi? Kukaan ei oikein tiedä, vaikka joillakin on arvauksia. Kun vasemmanpuoleiset aminohapot ottivat vallan, paluuta biokemiaan ei ollut-entsyymit perustettiin tietyllä tavalla, ja se oli siinä. Näin ollen se, että arkaaiset ja bakteeriset entsyymit käyttävät glyseroleja vastakkaisella kädellä, viittaa siihen, että bakteerit ja arkaaiat erkanivat toisistaan kauan, kauan sitten.

joillakin arkaaisilla lipideillä on ominaisuus, jota esiintyy harvoin tai ei koskaan bakteereissa tai eukaryooteissa. Bakteereilla ja eukaryooteilla on lipidikaksosista muodostuneita kalvoja, jotka virtaavat toistensa ohi (#9). Mutta arkaaiset fytanyylihännät voivat olla kovalenttisesti sitoutuneita toisiinsa muodostaen lipidimonolikerroksen (KS. #10 ja kuva crenarchaeol edellä).Kaksi päätä, yksi ruumis, kalvohydraa.

haarautuneet ja verkkomaiset fytanyylihännät ja lipidimonolikerrokset näyttävät kaikki mukautuvan tulikuumiin lämpötiloihin. Ne voivat auttaa estämään kalvovuotoja tai kaksikerroksisen irtoamista vetisissä ja usein happamissa infernoissa, joissa hypertermofiiliset arkaaiat elävät.

Voit myös havaita, että toisin kuin useimmat geneettiset ja proteiininvalmistuskoneemme, lipidimme muistuttavat bakteereita paljon enemmän kuin arkaaisia. Onko sekin todiste ikivanhasta kimeerisyydestä?

arkaaisten loisten ja taudinaiheuttajien salaperäistä puuttumista

ei ole koskaan löydetty ilmeisen loisia tai patogeenisiä arkaaeja. Se ei tarkoita, etteikö niitä olisi olemassa. Arkhaia oli olemassa kauan ennen kuin löysimme heidät, ja nyt näemme, että heitä on kaikkialla. Lisää siitä kohta.

mutta tätä asiaa kannattaa pohtia (talmudilainen kysymys, a la Small Things Considered?): miksi alalla ei näytä olevan ilmeisiä loisia tai taudinaiheuttajia? Bakteerit ja eukaryootit ovat synnyttäneet lukemattomia ikäviä loisia syphillisistä bedbugs mistelinoksa Nigerian Craigslist huijarit, ja minusta tuntuu hyvin oudolta, että koko verkkotunnuksen pitäisi olla vailla niitä.

Onko arkaainen kemia niin ainutlaatuinen, että ne ovat huonosti varustettuja elämään korkeampien eliöiden sisällä? Näin ei todellakaan näytä olevan, kuten näemme jäljempänä. Mikseivät he ole siirtyneet pimeälle puolelle? Onko se jotain perustavanlaatuista niiden aineenvaihdunnassa tai kemiassa?

lähimpänä mahdollisesti patogeenistä tai loista arkeonia on Nanoarchaeum equitans, yksi maailman pienimmistä soluista. Sitä on hydrotermisissä tuuletusaukoissa kaikkialla maanosien huipuilta, kuten Yellowstonen Obsidiaanialtaasta, merten syvyyksiin, kuten valtamerten Keskiselänteellä Islannin lähellä ja Jäämeren alla, levinneisyysalue, joka itsessään on pohdinnan arvoinen mitä se merkitsee.

missä tahansa sitä tavataankin, se elää yksinomaan paljon suuremman arkaaionin, Ignicoccuksen, pinnalla. Enintään 10 N. equitans voi päällystää yksittäisen Ignicoccuksen pinnan. Nanoarcheum ei pysty syntetisoimaan lipidejä, useimpia nukleotideja (DNA: n ja RNA: n rakennusaineita) tai aminohappoja. Sen täytyy ottaa ne (varastaa ne? vaihtaa?) ingnicoccuksesta.

mutta muista mikrobiloisista poiketen N. equitansilla on kaikki tarvittava oman DNA: n korjaamiseen ja DNA: n, RNA: n ja proteiinisynteesin suorittamiseen. Vaikka se ei selvästikään voi elää ilman Ignicoccusta, on vielä epäselvää, onko se symbiootti vai loinen.

tämä ilmeisten iljettävyyksien puute ei myöskään tarkoita, että arkeonit olisivat *vapaita* loisista tai taudinaiheuttajista. Päinvastoin, paljon asioita kuluttaa archaea, ja archaea pelata isäntä koko kirjon ainutlaatuisen muotoinen (spindles, keppejä ja kyynelpisarat) DNA-viruksia, jotka viihtyvät samassa helvetillinen ympäristöissä, jotka voivat kasvattaa archaea.

tässä on Kiinan kuumasta lähteestä peräisin oleva Archaeon nimeltä Sulfolobus, jossa on useita Värttinän muotoisia DNA-viruksia:

hypertermoasidofiili archaeon Sulfolobus tengchongensis ja sen karan muotoinen loinen, stsv1-virus

arkaalipatogeenien outo puute saattoi myös vaikuttaa siihen, että Woesen oli vaikea voittaa Nobelia. Se ei ole biologian Nobel, vaan fysiologian tai lääketieteen Nobel. Ja ilman ilmiselviä arkaaisia sairauksia hänen palkintonsa tapaus olisi väistämättä epäsuora.

Archaeat ovat kaikkialla

kun archaeat paljastettiin maailmalle, heitä luultiin monta vuotta ekstremofiilisiksi kummajaisiksi. Ne elivät muun muassa suolatasangoilla, hydrotermisissä aukoissa, kuumissa happamissa altaissa ja metaania täynnä olevissa soissa. Ne eivät olleet ihan normaaleja mikrobeja.

ja monesti se on totta, ällistyttävän ihmeellisillä tavoilla. Olemme löytäneet neliömäisiä, litteitä arkkeja, jotka jakaantuvat arkkeiksi kuin postimerkit, jotka elävät suolapannuissa. He käyttävät proteiineja kutsutaan (eroneally, ilmeisesti) bakteriorhodopsiinit, jotka ovat rakenteellisesti ja toiminnallisesti samanlaisia-vaikka kehittynyt täysin itsenäisesti-selkärankaisten eye protein rhodopsiini tehdä energiaa valosta. Muiden näiden suolaa rakastavien arkaaisten lajien muodot ovat erilaisia monitahokkaita neliöiden lisäksi, ja joskus ne muuttavat muotojaan sukupolvien välillä.

halquadratum walsbyin neliösoluista tehty postimerkin kaltainen arkki. Public domain. Napsauta kuvaa lähteeksi.

ja sitten on kanta 121, joka on saanut nimensä kyvystään selvitä hengissä, mutta lisääntyä 121c: ssä, laboratorioiden ja lääketieteellisten sterilointilaitteiden tappolämpötilassa. Ennen sen löytämistä minkään solun ei uskottu kykenevän selviytymään 15 minuuttia 121c: n lämpötilarenkaassa autoklaaveissa. Kanta 121 voi selviytyä jopa 130C: n lämpötilassa ja kokeet viittaavat siihen, että saattaa olla arkaalilajeja, jotka sietävät 140-150c: n lämpötiloja. jottet unohda, vesi kiehuu 100C: ssä.

, mutta arkeoneja on vaikea viljellä laboratoriossa (kuten valtaosa mikrobeista). Mitä jos niitä olisi enemmän piilossa, jälleen näkyvillä?

kun aloimme etsiä arkaaista DNA: ta emmekä murehtineet ruumiiden löytämistä, löysimme mikrobit käytännössä kaikkialta, mistä etsimme. Siihen kuuluvat ”normaalit” paikat, kuten merivesi ja meren sedimentti, maaperä ja nisäkkäiden suolisto ja emätin. Ne voivat muodostaa 40% avomeren mikrobibiomassasta (bakteereita on edelleen noin 3-1) ja muodostaa 20% maapallon kokonaisbiomassasta. Lämpöä rakastavasta maineestaan huolimatta Arkaiat ilmestyvät myös hyvin kylmiin paikkoihin, kuten arktiseen meriveteen ja jäähän.

yllätykseksemme olemme löytäneet mangrovejuurilla eläviä superkokoisia rihmamaisia arkeoneja, jotka ovat lähes tarpeeksi isoja näkemään paljain silmin. Olemme löytäneet metanogeenisiä arkeoneja, jotka ovat vuorovaikutuksessa alkueläinten kanssa lehmien ja termiittien sisuksissa auttaakseen näitä organismeja hajottamaan selluloosaa energiaksi. Löysimme jopa arkkieonin, joka elää symbioottisesti sienen kanssa.

epäilemättä monia muita outoja ja ihania olentoja ilmestyy, kun alamme sovittaa mikrobeja niiden DNA-sekvensseihin – jos vain viitsimme katsoa.

*Nobel-palkintoja ei jaeta postuumisti, vaikka he tekivät viime vuonna poikkeuksen merkittävässä tapauksessa.