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触手可及的微生物可能缺少简单细胞与复杂生命之间的联系

耐心证明了研究人员所说的关键因素可能是关于复杂生命如何演变的重要发现。经过12年的尝试,日本的一个团队已经从海底泥浆中培育出一种生物,他们说这可以解释简单的微生物如何演变成更复杂的真核生物。

真核生物是包括人类,其他动物,植物和许多单细胞生物的群体。微生物可以产生分支的附属物,这可能有助于它包裹和包裹帮助它的细菌 - 并且最终,所有真核生物 - 在充满氧气的世界中茁壮成长。

“这是该领域许多人一直在等待的工作,”荷兰瓦赫宁根大学的进化微生物学家Thijs Ettema说。这一发现尚未在同行评审的期刊上发表,但在推特上,其他科学家对其上的预印本进行了评论已经将其称为“年度论文”和“微生态生态月球着陆”。

生命树有三个主要分支 - 细菌和古细菌组成两个,两个都是缺乏细胞核和线粒体的微生物,分别是用于储存DNA或产生能量的不同的膜结合区室。那些组分或细胞器表征第三分支的细胞,即真核生物。普遍的想法是,大约20亿年前,一种名为Asgard archaea的微生物吸收了一种叫做α蛋白的细菌,它在内部定居并成为线粒体,通过消耗氧气作为燃料为其宿主产生能量。但是,隔离和生长Asgard古菌已经证明是一项挑战,因为它们往往生活在诸如深海泥浆之类的恶劣环境中。它们也生长得非常缓慢,因此难以察觉。

但横须贺日本海洋地球科学与技术局的微生物学家Hiroyuki Imachi和Ken Takai以及他们的同事一直坚持尝试从2006年从潜水中潜水的海底核心中培育出这样的微生物。 2000天,他们在距离日本海岸2500米深的Omine Ridge的生物反应器中保持泥浆,甲烷是深海泥浆中常见的气体。研究人员随后在含有各种营养素和其他物质的玻璃管中培养含有微生物的泥浆的小样本。一年后,他们在其中一个试管中检测到微生物,其中还含有四种抗生素以杀死任何污染细菌。

来自试管的样品的DNA分析表明它包括Asgard archaeon,它们希望生长的微生物。在不到一个小时的时间内,这种微生物的数量大约需要20天才能使双细菌数量增加一倍 - 但最终,他们获得了足够的有机体来研究它。“这真是一项庞大的任务,”威斯康星大学麦迪逊分校的进化生物学家David Baum说,他没有参与这项工作。

无法立即联系评论的日本研究人员将希腊神普罗米修斯(Prometheus)用泥浆制造人类命名为Prometheoarchaeum syntrophicum微生物。这种单细胞生物体的实验表明,通常 - 如果不是总是 -与另一种产生甲烷的微生物一起生长,Imachi,Takai及其同事今天在bioRxiv的预印本中报告。研究人员进一步发现,Prometheoarchaeum分解氨基酸作为食物并释放氢气,为其伴侣提供食物。研究人员说,这种甲烷制造商反过来通过咀嚼氢来帮助Prometheoarchaeum茁壮成长。否则氢的积累会导致Prometheoarchaeum的生长更慢。复杂的合作伙伴关系是Asgard arcahaea在实验室中如此难以成长的另一个原因。

研究人员对所有微生物的DNA进行了测序,证实它确实含有一些看起来像真核生物中发现的基因。(当Ettema从一个广泛的DNA样本拼凑出一个Asgardian基因组时,他发现了同样的东西,但怀疑论者想知道这些基因是否是污染物。)就好像Prometheoarchaeum“已经准备好成为真核生物”,Ettema说。

在培养出微生物后,研究人员使用电子显微镜对其进行成像,揭示了多个分支的附属物。该团队假设,在很久以前,一个古细菌围绕着原始线粒体并将其投入使用。研究人员提出,随着地球早期氧浓度的增加,像Prometheoarchaeum这样的古菌吸收了吸氧伴侣,并且比其他微生物做得更好。

“这正是我们预测的,”鲍姆说。2014年,他和一位同事发表了类似的“由内而外”的理论。以前,大多数研究人员认为线粒体被拉入他们的古菌宿主 - “外在的”理论中,细胞核和细胞内膜从吞噬成分中演化而来。新培养的微生物的附属物则另有说明。这些附属物包围了原始线粒体,它们的膜产生了内部的膜。

Ettema告诫说,生活在20亿年前的真核细胞的古菌祖先可能看起来并没有像Prometheoarchaeum那样行动。此外,DNA研究表明,其他古菌与真核生物的关系比这个更为密切。然而,他预计,日本团队致力于培养这种微生物的12年将帮助他和其他人在实验室中分离和培育相关的古菌:“我相信,将下一个Asgard培养成文化不需要12年。 ”

英国伯明翰大学的微生物学家Willem van Schaik说,即使这一项并不能证明是真核生物的祖先,这项新工作“也会揭示出各种令人兴奋的生物学”。“感觉这会立即进入微生物教科书。”

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