Клетка настолько мала, что бросает вызов определениям жизни

Недавно описанный микроб представляет собой мир паразитического межклеточного биоразнообразия, который только начинает раскрываться с помощью секвенирования генома. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Фундаментальная структура жизни — клетка, поэтому основные процессы, происходящие в клетке — переработка биомолекул, рост, репликация генетического материала и создание нового тела — считаются отличительными признаками жизни. Но ранее в этом году учёные обнаружили клетку, настолько лишённую важнейших функций, что она ставит под сомнение биологическое определение того, что считается живым существом.

Этот вид представляет собой одноклеточный организм, известный лишь по загадочной последовательности своего генетического кода. Его геном фантастически мал: в ходе эволюционного пути организм, по-видимому, избавился от большей его части. По словам потрясённых исследователей, опубликовавших своё открытие в препринте, загруженном на biorxiv.org в мае, утраченные гены включают те, которые играют ключевую роль в метаболизме клетки, а это означает, что он не может ни перерабатывать питательные вещества, ни расти самостоятельно.

Другие клетки с сильно редуцированным геномом всё ещё кодируют белки для синтеза аминокислот, расщепления углеводов для получения энергии или синтеза витаминов. Всё это, по-видимому, отсутствует в клетке, которая, по всей видимости, является паразитом, полностью зависящим от хозяина или клеточного сообщества для удовлетворения своих потребностей в питании. До сих пор эти генетические пути считались основополагающими для выживания любой клетки.

«Репликативное ядро» организма — генетические компоненты, необходимые для воспроизводства, — сохраняется и составляет более половины его генома.

«Метаболизм — один из ключевых компонентов того, как мы часто определяем жизнь», — сказал Такуро Накаяма, микробиолог-эволюционист из Университета Цукубы в Японии, возглавлявший группу. Открытие клетки «бросает вызов этому, предполагая, что клетка может существовать практически полностью без собственного метаболизма. Оно демонстрирует, что разнообразие клеточной жизни гораздо больше, чем мы думали, и что организмы не всегда следуют нашим определениям».

Хотя эта форма жизни является новой для науки, подобные ей организмы, возможно, широко распространены. По словам Пури Лопеса-Гарсии, микробного эколога из Французского национального центра научных исследований в Париже, огромная часть микробного биоразнообразия может скрываться в рекурсивных взаимоотношениях между паразитическими и хозяевами.

«Разнообразие архей и бактерий, по-видимому, принадлежащих к этим супергруппам паразитических организмов, очень и очень велико», — сказала она. По её мнению, бактерии могут составлять от 25% до 50% от общей доли видов в группе.

Это открытие расширяет границы наших знаний о том, насколько маленькой и простой может стать клеточная жизнь, поскольку она эволюционирует даже в формы, которые едва можно назвать живыми.

Необычайное открытие

Накаяма построил научную карьеру, изучая более пристально, чем обычно делают другие исследователи. Он рассматривает и без того крошечную клетку и задаётся вопросом: есть ли ещё более мелкие клетки, способные там обосноваться?

«Разница [в размерах между паразитическими и хозяйскими клетками] иногда может быть сравнима с разницей между человеком и Годзиллой», — сказал Накаяма. Его завораживает потенциально огромное неизведанное биоразнообразие, которое могут содержать эти связи, и его лаборатория ищет такие связи в морской воде. Океан — бедная питательными веществами среда, которая побуждает клетки формировать торговые партнёрства. Иногда они дрейфуют вместе, слабо связанные, обмениваясь редкими питательными веществами и энергией. В других случаях их взаимодействие более организовано.

Citharistes regius — широко распространённый по всему миру одноклеточный динофлагеллят, имеющий наружную камеру, напоминающую мешочек, со стенками, для обитания симбиотических цианобактерий. Накаяма и его команда искали эту водоросль, собирая образцы морской воды из Тихого океана мелкоячеистой сетью. Распространенный метод заключается в секвенировании всей ДНК, обнаруженной в «супе» такого образца. Этот подход называется метагеномикой.

«Этот метод невероятно эффективен для получения общей картины», — сказал Накаяма. «Однако с такими данными часто сложно установить связь между последовательностью и конкретной клеткой, из которой она произошла, и редкие организмы могут быть легко пропущены». Более целенаправленный подход его команды заключается в микроскопической идентификации и физической изоляции одной целевой клетки из смешанного образца.

Вернувшись на берег в лабораторию Цукубы, после того как исследователи подтвердили наличие C. regius, они секвенировали каждый геном, связанный с этой единственной клеткой. Как и ожидалось, они обнаружили ДНК симбиотических цианобактерий, но обнаружили и кое-что ещё: последовательности, принадлежащие археям, представителям домена жизни, который, как считается, дал начало эукариотам, таким как мы.

Сначала Накаяма и его коллеги подумали, что совершили ошибку. Геном архей крошечный: всего 238 000 пар оснований от начала до конца. Для сравнения, у людей их несколько миллиардов, а у бактерий E. coli — несколько миллионов. (У симбиотических цианобактерий C. regius их 1,9 миллиона.) Ранее самым маленьким известным геномом архей считался геном Nanoarchaeum equitans — он состоит из 490 000 пар оснований, что более чем вдвое длиннее нового, обнаруженного исследователями. Изначально они предположили, что этот крошечный геном — слишком большой, чтобы быть просто статистическим шумом — представляет собой сокращённый фрагмент гораздо большего генома, ошибочно скомпилированный их программным обеспечением.

«Сначала мы подозревали, что это может быть артефактом процесса сборки генома», — вспоминает Накаяма. Для проверки команда секвенировала геном, используя различные технологии, и пропустила данные через несколько компьютерных программ, которые собирают фрагменты последовательностей ДНК в полный геном. Все эти подходы позволили реконструировать один и тот же кольцевой геном из 238 000 пар оснований. «Именно эта согласованность убедила нас в том, что это настоящий, полный геном», — сказал он.

Это означало, что Накаяма и его команда получили новый организм. Микроб был назван Candidatus Sukunaarchaeum mirabile (далее Sukunaarchaeum) за его удивительно маленький геном — в честь Сукуна-бико-на, синтоистского божества, известного своим невысоким ростом, а также латинского слова, означающего «необыкновенный».

Спектр квазижизни

Когда группа обратилась к базам данных известных генов, чтобы проанализировать архею, они обнаружили, что ее небольшой размер был результатом очень большого количества упущений.

Сукунаархеум кодирует лишь самый минимум белков, необходимых для собственной репликации, и это практически всё. Самое странное, что в его геноме отсутствуют какие-либо намёки на гены, необходимые для обработки и построения молекул, за исключением тех, которые необходимы для размножения. Не имея этих метаболических компонентов, организм вынужден передавать процессы роста и поддержания жизнедеятельности другой клетке – хозяину, от которого микроб полностью зависит.

Другие симбиотические микробы, включая эволюционных родственников Sukunaarchaeum, утратили значительную часть своих геномов. Анализ, проведённый исследователями, показал, что этот микроб относится к группе DPANN-архей, иногда называемых наноархеями или ультрамалыми археями, которые характеризуются небольшим размером и небольшим геномом. DPANN-археи обычно считаются симбионтами, которые прикрепляются к внешней оболочке более крупных прокариотических микробов, и многие из них значительно редуцированы в геномах, чтобы соответствовать такому образу жизни. Но до сих пор ни один из видов DPANN не обладал настолько укороченным геномом. Кроме того, Sukunaarchaeum рано отделился от группы DPANN, что позволяет предположить, что он прошёл свой собственный эволюционный путь.

«Это царство архей в целом довольно загадочно», — сказал Бретт Бейкер, микробный эколог из Техасского университета в Остине, не принимавший участия в исследовании. «[DPANN-археи] очевидно ограничены в своих метаболических возможностях».

Хотя Sukunaarchaeum может приносить какую-то неопределённую пользу своему хозяину — которым может быть C. regius, симбиотическая цианобактерия или совершенно другая клетка, — он, вероятно, является паразитом, поглощающим сам себя. «Редукция его генома обусловлена исключительно эгоистическими мотивами, соответствующими паразитическому образу жизни», — сказал Тим Уильямс, микробиолог из Сиднейского технологического университета, не принимавший участия в исследовании. Sukunaarchaeum не может производить продукты метаболизма, поэтому отношения между Sukunaarchaeum и любой другой клеткой, вероятно, были бы односторонними.

Другие микробы эволюционировали в аналогичные экстремальные, обтекаемые формы. Например, бактерия Carsonella ruddii, живущая в качестве симбионта в кишечнике насекомых, питающихся соком, имеет ещё меньший геном, чем Sukunaarchaeum, — около 159 000 пар оснований. Однако у этих и других сверхмалых бактерий есть метаболические гены, отвечающие за производство питательных веществ, таких как аминокислоты и витамины, для своих хозяев. Вместо этого их геном утратил значительную часть способности к самостоятельному размножению.

«Они находятся на пути к превращению в органеллы. Считается, что именно таким путём эволюционировали митохондрии и хлоропласты», — сказал Уильямс. «Но Sukunaarchaeum пошёл в противоположном направлении: геном сохранил гены, необходимые для его собственного размножения, но утратил большую часть, если не все, гены метаболизма».

Вскоре после того, как команда Накаямы опубликовала свои результаты в интернете, они получили большой отклик. «Когда мы увидели препринт, в лаборатории это было действительно очень интересно», — сказал Тейс Эттема, эволюционный микробиолог и эксперт по геномике архей из Вагенингенского университета и исследовательского центра в Нидерландах, не принимавший участия в работе. «Подобные типы организмов [с редуцированными геномами] уже встречались, но не в таких экстремальных случаях».

В некоторых новостных сообщениях даже высказывались предположения, что сукунаархеум находится на пути к эволюции в вирус. Однако, хотя и сукунаархеум, и вирусы зависят от клетки-хозяина для выполнения самых базовых биологических функций, вирусы не могут размножаться самостоятельно.

«Между сукунаархеем и вирусами существует фундаментальный разрыв», — сказал Накаяма. «У сукунаархея сохраняется собственный основной механизм экспрессии генов, включая рибосомы, хотя и в упрощённой форме. Это резко контрастирует с вирусами, у которых нет рибосом, и им для репликации необходимо использовать клеточные системы хозяина».

По словам Эттемы, эти результаты вписываются в более широкую дискуссию о том, как мы определяем жизнь, поскольку природа постоянно создаёт исключения, не поддающиеся простой классификации. «Скорее всего, она не может жить независимо», — сказал он. «То же самое можно сказать и о бактериальных симбионтах. А как мы называем органеллы, такие как митохондрии и пластиды? … В какой момент мы должны называть вещи живыми?»

Минималистский образ жизни

Многие вопросы о сукунаархее остаются нерешёнными. Во-первых, значительная часть его генома состоит из генов, не соответствующих ни одной известной последовательности. По-видимому, они кодируют крупные белки, что нетипично для столь радикально редуцированных организмов.

Накаяма и его коллеги полагают, что эти крупные белки располагаются на клеточной мембране и каким-то образом поддерживают взаимодействие между археей и её хозяином. По словам Эттемы, это также согласуется с образом жизни других изученных DPANN-архей, которые обычно считаются эктосимбионтами, прикрепляющимися к внешней поверхности сравнительно крупных хозяев.

Хотя Sukunaarchaeum был обнаружен в ассоциации с динофлагеллятами C. regius, его истинный хозяин неизвестен. C. regius — эукариот, но DPANN-археи обычно ассоциируют с другими археями. Также возникает вопрос: прикрепляется ли он к внешней поверхности клетки-хозяина, как другие DPANN-археи, или живёт внутри неё, или и то, и другое? Чтобы ответить на эти вопросы, потребуется впервые увидеть архею; на данный момент она известна только по любопытной последовательности генетических данных.

Лопес-Гарсия также отметила, что существует небольшая вероятность того, что эти гены действительно являются «потерянными» метаболическими генами, если они эволюционировали настолько далеко от своих исходных последовательностей, что стали неузнаваемыми. «Поскольку геном эволюционирует так быстро, некоторые из этих функций, возможно, соответствуют метаболическим функциям, но расхождение настолько велико, что мы не можем идентифицировать гомолог [гена] [в базе данных]», — сказала она.

Эттема отметил, что существуют даже более странные примеры минималистичного образа жизни или более укороченные геномы, но исследователи могут их не заметить. Традиционные аналитические подходы к изучению геномов микробных образцов могут помечать их крошечные геномы как неполные или низкокачественные и отбрасывать их, или же полностью пропускать, добавил он. «[ДНК] могла присутствовать в образцах, но её удалили после секвенирования, и поэтому её не заметили».

Когда Накаяма и его коллеги исследовали базу данных последовательностей ДНК из морской среды Мирового океана, чтобы выяснить, не появляется ли новый микроб где-либо ещё, они не нашли совпадений. Однако они обнаружили множество очень похожих последовательностей, вероятно, от близких родственников. Sukunaarchaeum может быть вершиной огромного микробного айсберга, дрейфующего в бескрайнем океане микробного разнообразия: крошечные микробы цепляются за чуть менее мелкие микробы, возможно, внутри других микробов, и история их древних взаимоотношений только начинает раскрываться.

Источник: www.quantamagazine.org