Thermococcus gammatolerans-wiciożerny archaeon, który kwitnie w gorących, głodnych tlenu wodach. Zwróć uwagę na kępkę wici. Ten mikrob żyje w wodzie gorętszej niż około 160F.Creative Commons Angels Tapias. Kliknij obraz do licencji i link.

w latach 70.nieznany Naukowiec Carl Woese (wymawiany „nieszczęścia”) pracował nad czymś pozornie dość przyziemnym: znalezieniem sposobu na klasyfikację bakterii.

chociaż może się to wydawać prostym zadaniem, bakterie uparcie opierały się wszystkim poprzednim próbom. Tradycyjna metoda — patrząc na różnice w wyglądzie, strukturze i metabolizmie i patrząc na to — zawiodła. Bakterie często wyglądają i zachowują się bardzo podobnie, niezależnie od ich prawdziwego pokrewieństwa ewolucyjnego.

wielkie nazwiska w mikrobiologii już dawno zrezygnowały z tego problemu. Ale Woese miał pomysł: co by było, gdyby bakterie można było sortować naukowo, używając ich materiału genetycznego, wyrażonego w RNA, które składa się z rybosomów, jednostek produkcji białka w komórce? Większość mutacji rybosomalnego RNA jest katastrofalna dla potomstwa, które je dziedziczy, biorąc pod uwagę kluczowe znaczenie rybosomów dla utrzymania komórki przy życiu, a zatem zmiany w rybosomalnym RNA zdarzają się rzadko. Ale przez kilka miliardów lat życia drobnoustrojów na Ziemi, One się zdarzają, co czyni tę cząsteczkę obiecującym celem oceny relacji, które rozciągają się w głębokim czasie.

Po około dekadzie mozolnego rozszczepiania rybosomalnego RNA na małe kawałki i wpatrywania się w te posortowane kawałki na filmach fotograficznych przycinanych do pudełek — niezliczone godziny nudów napędzanych przez dr Peppera i ataki na drążek do podciągania się — Woese był na dobrej drodze do stworzenia bakteryjnego drzewa genealogicznego.

wtedy stało się coś nieoczekiwanego. Kolega Ralph Wolfe zasugerował, że spróbuje swojej metody na niezwykłej grupie bakterii wytwarzających Metan. Chociaż pojawiły się w różnych kształtach makaronu, ich biochemia i metabolizm wydawały się podobne. Ten fragment artykułu naukowego z 1997 roku autorstwa Virginii Morell oddaje szok tego, co stało się później:

ale kiedy Woese badał ich sekwencje, metanogeny nie zarejestrowały się jako bakterie. „Całkowicie brakowało sekwencji oligonukleotydowych, które uznałem za charakterystyczne dla bakterii”, wyjaśnia. Sądząc, że próbka została skażona, sprawdził nową. „I wtedy Carl zszedł na dół, potrząsając głową”, mówi Wolfe. „Powiedział mi:” Wolfe, to nie są nawet bakterie. A ja na to: „uspokój się, Carl.; WYJDŹ z orbity. Oczywiście, to bakterie, wyglądają jak bakterie.””Ale, jak teraz wiedział Woese, morfologia bakterii nic nie znaczyła. Tylko ich cząsteczki opowiedziały tę historię. A cząsteczki głosiły, że metanogeny nie są jak inne prokarioty czy eukarioty—były czymś dla siebie, trzecią gałęzią życia.

Carl Woese w 2004 roku. Creative Commons Don Hamerman. Kliknij obraz, Aby uzyskać licencję i źródło.

„Wolfe, to nie są nawet bakterie.”Kiedy przeczytałem to zdanie, dreszcz biegł po moim kręgosłupie. Tylko nieliczni ludzie na Ziemi doświadczyli pewnego rodzaju momentu podnoszenia zasłony o takiej wielkości-Einstein, Newton, Kepler itd., przychodzi mi do głowy-ale skromny Carl Woese był inny. Natknął się na nowy wspaniały świat drobnoustrojów, które wyglądały jak bakterie dla naszych oczu, ale w rzeczywistości były tak wyjątkowe pod względem biochemicznym i fizycznym, że ostatecznie okazały się być bliżej spokrewnione z nami niż z nimi. Natknął się na zupełnie nową formę życia, tutaj na Ziemi.

Carl Woese zmarł w grudniu 30. Woese pozostaje mało znany, nawet wśród biologów nie-mikrobiologicznych, ale szczególnie wśród społeczeństwa. Przeżył dekadę lub więcej sceptycyzmu, ośmieszenia i ostracyzmu, zanim jego obserwacje zostały zaakceptowane i był głęboko zraniony przez początkową reakcję; możesz i powinieneś przeczytać więcej na ten temat w historii science feature, którą wyciągnąłem powyżej (wymagany dostęp płatny). W ostatnich latach niektórzy-w tym redakcja Nature Reviews Microbiology-naciskali na Woese ’ a, aby otrzymał Nagrodę Nobla za jego wkład. To się nigdy nie stanie*.

ale Woese nie jest jedynym niedocenianym bohaterem w tej historii**. Ujawnione przez niego organizmy-archaea – są fascynującymi i obfitymi stworzeniami, ale rzadko są szczegółowo omawiane, nawet w ramach zajęć mikrobiologicznych. Szkoda. Archaea są wszędzie-w głębinowych otworach wentylacyjnych, w solnych mieszkaniach, w lodzie, w wodzie morskiej, w glebie i w tobie. I zasługują na lepszy rozgłos.

rozważ następujące intrygujące punkty dotyczące trzeciej domeny:

Archaea wytwarzają DNA i RNA w sposób podobny do nas — co sugeruje ciekawą rzecz

pod wieloma względami archaea wygląda bardziej jak my niż bakterie — ale trzeba się przyjrzeć, żeby to zobaczyć. „My” byliby eukariotami, formami życia, które przechowują swoje DNA w pakietach zwanych jądrami (wśród wielu innych cech). Grupa obejmuje prawie wszystko, z wyjątkiem archeonów i bakterii.

Archaea posiadają polimerazy DNA i RNA — enzymy replikujące DNA i RNA — które wyglądają jak prostsze wersje tych występujących u eukariotów. Ich pojedyncze, okrągłe chromosomy mogą mieć więcej niż jedno źródło replikacji, jak u eukariotów, ale w przeciwieństwie do bakterii.

aby skondensować swoje DNA na tyle, aby zmieścić się w komórce, bakterie używają białka zwanego gyrazą do skręcania swojego DNA w cewki. Archaea również to robią, ale również owijają swoje DNA wokół białek zwanych histonami, które ponownie wyglądają jak prostsze wersje histonów, wokół których eukarioty owijają swoje DNA. Z tego co wiem, bakterie nie posiadają histonów.

te przekonujące podobieństwa — z których jest głębiej w biochemicznych chwastach, o których pomijam w przestrzeni — między komórkami archaealnymi i eukariotycznymi doprowadziły niektórych do zasugerowania, że oprócz pochłaniania / symbiozy bakteryjnej, która stworzyła mitochondria i chloroplasty, niektóre inne bardziej tajemnicze symbiozy lub chimeryzmy mogły wystąpić między starożytnym archaeonem a bakterią, aby wytworzyć pierwszą komórkę protoeukariotyczną. Może też sugerować, że eukarioty w rzeczywistości wyewoluowały z archai. Jest to gorąco dyskutowany pomysł, a jeden z nich można zobaczyć dalsze dowody poniżej.

Archaealne powłoki zewnętrzne są niepodobne do niczego innego na Ziemi

bakteryjne i eukariotyczne lipidy błonowe mają tę samą ogólną strukturę (druga od górnej cząsteczki poniżej): Grupa fosforanowa (Zielona) przyłączona do glicerolu (czerwona) tworzy głowę lipidu, podczas gdy dwa kwasy tłuszczowe z ogona (różowy). Ponadto, podobnie jak bakterie, główki glicerolu naszych lipidów są połączone z ogonami kwasów tłuszczowych wiązaniami estrowymi (żółtymi).

Archaealne lipidy błonowe wyglądają bardzo, bardzo inaczej niż zarówno bakterie, jak i eukarioty (górna cząsteczka, powyżej). Archaea mają ogony zbudowane z jednostek rozgałęzionych izoprenów chemicznych zamiast kwasów tłuszczowych, a ich 20-węglowe ogony nazywane są grupami fitanylowymi(oznaczam fitanyl jako samogłoskę tygodnia). Te ogony lipidowe mogą być rozgałęzione w jeszcze bardziej złożony sposób niż pokazano powyżej lub nawet zawierać pierścienie ( patrz poniżej) – szalone kształty, których bakteryjne i eukariotyczne lipidy błonowe nigdy nie przyjmują, o ile wiem.

Crenarchaeol, pierścieniowa, rozgałęziona monowarstwowa błona lipidowa z archaeonu. Domena publiczna.

ich ogony fitanylowe są głównie przyłączone do gliceroli za pomocą wiązań eterowych, a nie estrowych (patrz 2 powyżej), które są odporne na niszczenie lepiej niż estry. A ich glicerole mają odwrotną ręczność do gliceroli w naszych lipidach błonowych (zwróć uwagę na lustrzaną orientację w lipidach bakteryjnych i archaealnych na rysunku).

molekularna ręka-chiralność w chemii-nie jest rzeczą łatwo zmienioną przez ewolucję. Na przykład, zdecydowana większość białek budulcowych zwanych aminokwasami używanych przez życie na Ziemi jest wyłącznie „leworęczna”. Dlaczego? Nikt tak naprawdę nie wie, chociaż niektórzy mają domysły. Kiedy aminokwasy lefty przejęły kontrolę, nie było powrotu biochemicznego. enzymy zostały skonfigurowane w określony sposób i tyle. Tak więc, że archaealne i bakteryjne enzymy używają gliceroli z przeciwną ręką oznacza, że bakterie i archeony rozstały się dawno, dawno temu.

niektóre lipidy archaealne mają właściwości rzadko lub nigdy nie spotykane u bakterii lub eukariotów. Bakterie i eukarioty mają błony zbudowane z dwuwarstw lipidowych, które przepływają obok siebie (#9). Ale archaealne ogony fitanylu mogą być kowalencyjnie połączone ze sobą, tworząc monowarstwę lipidową (patrz #10 i obraz crenarchaeolu powyżej).Dwie głowy; jedno ciało-hydra membranowa.

rozgałęzione i siateczkowate ogony fitanylu i monowarstwy lipidowe wydają się przystosowywać do temperatur oparzenia. Mogą one zapobiegać wyciekowi błony lub oderwaniu się dwuwarstwy w wodnistych i często kwaśnych piekłach, w których żyją hipertermofilne archaea.

można również zauważyć, że w przeciwieństwie do większości naszych maszyn do produkcji genetycznej i białkowej, nasze lipidy przypominają bakterie znacznie bardziej niż archaea. Czy to też dowód starożytnego chimeryzmu?

tajemniczy brak Archaealnych pasożytów i patogenów

nie znaleziono oczywiście pasożytów ani patogenów. To nie znaczy, że nie istnieją. Archaea istniały na długo przed ich znalezieniem, a teraz widzimy, że są wszędzie. Więcej o tym za chwilę.

ale to jest kwestia warta rozważenia (pytanie talmudyczne, a la małe rzeczy pod uwagę?): dlaczego wydaje się, że nie ma oczywistych pasożytów lub patogenów w tej dziedzinie? Bakterie i eukarioty zrodziły niezliczone paskudne pasożyty od syfilis przez pluskwy po jemiołę po nigeryjskich oszustów. dla mnie wydaje się to bardzo dziwne, że cała domena powinna być od nich pozbawiona.

czy chemia archaealna jest tak wyjątkowa, że nie jest przystosowana do życia w wyższych organizmach? Nie, z pewnością nie wydaje się, że tak jest, jak zobaczymy poniżej. Więc dlaczego nigdy nie przeszli na ciemną stronę? Czy jest to coś fundamentalnego w ich metabolizmie lub chemii?

najbliższą rzeczą, jaką znaleźliśmy dla potencjalnie patogennego lub pasożytniczego archaeonu, jest Nanoarchaeum equitans, jedna z najmniejszych komórek na świecie. Można go znaleźć w kominach hydrotermalnych wszędzie, od szczytów kontynentów, jak basen obsydianowy w Yellowstone, po głębiny oceanów, jak grzbiet Śródoceaniczny w pobliżu Islandii i pod Oceanem Arktycznym, rozkład, który sam w sobie jest wart rozważenia tego, co to oznacza.

gdziekolwiek się znajduje, żyje wyłącznie na powierzchni znacznie większego archaeonu, Ignicoccus. Do 10 N. equitans mogą pokrywać powierzchnię pojedynczego Ignicoccus. Nanoarcheum nie może syntetyzować lipidów, większości nukleotydów (budulców DNA i RNA) ani aminokwasów. Musi je zabrać (ukraść? wymienić?) z Ingnicoccus.

ale w przeciwieństwie do innych pasożytów drobnoustrojów, N. equitans ma wszystko, co niezbędne do naprawy własnego DNA i przeprowadzenia syntezy DNA, RNA i białek. Choć wyraźnie nie może żyć bez Ignicoccus, to czy jest to symbiont czy pasożyt jest nadal niejasne.

ten brak oczywistych złośliwości nie oznacza również, że archaea są *wolne* od pasożytów lub patogenów. Wręcz przeciwnie, wiele rzeczy pochłania archaea, a archaea są gospodarzem całego spektrum unikalnie ukształtowanych (wrzeciona, laski i krople łez) wirusów DNA, które rozwijają się w tych samych piekielnych środowiskach, które mogą rozmnażać archaea.

oto archaeon o nazwie Sulfolobus z gorącego źródła w Chinach z kilkoma wrzecionowatymi wirusami DNA:

hyperthermoacidophile archaeon Sulfolobus Tengchongensis i jego wrzecionowaty pasożyt, wirus STSV1

dziwny brak patogenów archaealnych może również przyczynić się do trudności Woese ’ a w zdobyciu Nobla. To nie jest Nagroda Nobla w dziedzinie biologii; to Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny. I bez oczywistych chorób archaealnych, sprawa o jego nagrodę musiałaby być pośrednia.

Archaea są wszędzie

Kiedy archaea zostały ujawnione światu, przez wiele lat były uważane za ekstremofilskich dziwaków. Żyły w miejscach takich jak solne mieszkania, hydrotermalne otwory wentylacyjne, gorące kwaśne baseny i torfowiska wypełnione metanem. To nie były normalne mikroby.

i w wielu przypadkach to prawda, w zdumiewająco cudowny sposób. Odkryliśmy kwadratowe, płaskie archaea, które dzielą się na arkusze jak znaczki pocztowe żyjące w solniczkach. Używają białek zwanych (eronowo, oczywiście) bakteriorhodopsyny, które są strukturalnie i funkcjonalnie podobne – choć wyewoluowały całkowicie niezależnie – do białka oka kręgowców rodopsyny, aby wytwarzać energię ze światła. Inne gatunki tych słonowodnych archai występują w różnych wielościennych kształtach oprócz kwadratów, a czasami zmieniają kształty między pokoleniami.

znaczek pocztowy jak arkusz kwadratowych komórek Halquadratum walsbyi. Domena publiczna. Kliknij obrazek, aby znaleźć źródło.

a potem jest szczep 121, nazwany ze względu na jego zdolność nie tylko do przetrwania, ale do reprodukcji w temperaturze 121C, zabijania sprzętu laboratoryjnego i medycznego. Przed jego odkryciem nie sądzono, że żadne komórki są zdolne do przetrwania 15 minut w pierścieniu temperatury 121C autoklawów. Szczep 121 może przetrwać w temperaturach do 130 ° C, a eksperymenty sugerują, że mogą istnieć gatunki archaealne, które tolerują temperatury od 140 do 150 ° C. Aby nie zapomnieć, woda wrze w temperaturze 100 ° C.

ale archeony są trudne do hodowli w laboratorium (podobnie jak zdecydowana większość drobnoustrojów). A gdyby było ich więcej, ukrytych, po raz kolejny, na widoku?

Kiedy zaczęliśmy szukać archaealnego DNA i nie martwiliśmy się o znalezienie ciał, odkryliśmy mikroby praktycznie wszędzie, gdzie patrzymy. Obejmuje to „normalne” miejsca, takie jak woda morska i osady oceaniczne, gleba oraz jelita i pochwy ssaków. Mogą one stanowić 40% biomasy drobnoustrojów w otwartym oceanie (bakterie nadal przewyższają ich liczbę o 3 do 1) i mogą stanowić 20% całkowitej biomasy Ziemi. Pomimo swojej gorącej reputacji, Archaea pojawiają się również w bardzo zimnych miejscach, takich jak Arktyczna woda morska i lód.

ku naszemu zdziwieniu odkryliśmy olbrzymie, nitkowate archaea prawie na tyle duże, by gołym okiem zobaczyć żyjące na korzeniach namorzynowych. Znaleźliśmy metanogenne archaea, które oddziałują z pierwotniakami w jelitach krów i termitów, aby pomóc tym organizmom rozkładać celulozę na energię. Znaleźliśmy nawet archaeon, który żyje symbiocznie z gąbką.

bez wątpienia wiele więcej dziwnych i wspaniałych stworzeń pojawi się, gdy zaczniemy dopasowywać mikroby do ich sekwencji DNA-jeśli tylko zechcemy spojrzeć.

*Nagrody Nobla nie są przyznawane pośmiertnie, choć w ubiegłym roku zrobili wyjątek w niezwykłym przypadku.