떡갈나무. 뿌리와 얽힌 공생 곰팡이. 가지 중 하나에서 지저귀는 추기경. 공유 조상에 대한 우리의 가장 좋은 단서는 XNUMX월에 공개된 전자 현미경 이미지에 도달했을 수 있습니다.

"바라보다!" 미생물학자가 말했다. 크리스타 슐레퍼, 그녀는 비엔나 대학에서 웹캠 앞에서 인쇄된 고해상도 이미지를 들고 환하게 웃었습니다. "아름답지 않니?" 현미경 사진의 세포는 덩굴손의 메두사 같은 후광으로 둘러싸인 500나노미터 너비의 구였습니다. 그녀의 팀은 처음으로 유기체를 분리하고 배양했을 뿐만 아니라 그것의 흔들리는 필라멘트가 거의 모든 복잡한 세포 또는 진핵생물에서 골격 발판을 형성하는 단백질인 액틴으로 만들어졌다는 것을 보여주었습니다.

그러나 이것은 복잡한 세포가 아니었습니다. 그것은 더 조상적이고 원시적으로 보였습니다. 유기체, 먼저 에 게시 자연, Asgard archaea라는 미생물 그룹의 두 번째 대표자로서 성장하고 자세히 연구되었습니다. XNUMX년이 걸린 작은 한 숟가락의 해저 슬러지에서 자라도록 달래는 것은 변덕스러운 유명인을 위해 탈의실을 준비하는 것과 같았습니다. 이 유기체는 원심분리, 휘젓기, 산소에 노출, 주변에 있는 몇 가지 다른 미생물과 분리, 빙하 속도보다 빠르게 성장할 수 없습니다.

몇 달 동안 전혀 자라지 않았습니다. “나는 과학 분야에서 내 자신의 미래도 걱정했습니다.”라고 말했습니다. 티아고 로드리게스-올리베이라Schleper의 연구실에서 박사후 연구원으로 새로운 종을 배양하기 위한 노력을 주도했으며, 완고한 단일 유기체의 변덕에 자신의 경력을 걸었습니다.

처리하기가 극도로 어려운 만큼 아스가르드 고세균은 이제 과학에서 가장 탐나는 유기체 중 하나이며 그럴 만한 이유가 있습니다. 많은 진화 생물 학자들에게 그들의 발견과 후속 연구는 생명 나무의 교과서 그림을 수정하여 우리와 진핵 세포로 만들어진 다른 모든 생물을 Asgard 그룹의 단순한 분파로 간주하는 것을 정당화합니다.

한편, 아스가르드 게놈에 대한 연구는 논쟁의 여지가 있는 논쟁을 불러일으키는 지구 역사상 획기적인 사건인 진핵생물이 어떻게 진화했는지에 대한 질문에 절실히 필요한 데이터를 가져왔습니다. 현재까지 대부분의 연구는 Asgard 그룹의 간접적인 유전자 프로브에 의존해야 했습니다. 이는 Louis Pasteur 시대 이후 미생물학의 황금 표준인 실험실에서 살아있는 미생물을 자극하는 것과 동일한 기회를 제공하지 않습니다.

이제 전 세계의 실험실에서 자체 Asgard 문화를 성장시키려는 시도로 고위험 슬로우 모션 경주가 시작되었습니다. 샘플은 공유되지 않습니다. 성장 전략은 철저하게 보호되는 비밀입니다. Schleper 팀의 결과가 나왔을 때 "우리는 솔직히 충격을 받았습니다"라고 썼습니다. 이마치 히로유키, 일본 해양 지구 과학 기술청의 미생물학자는 지독한 12년의 노력 끝에 최초이자 현재 유일한 다른 아스가르드 고세균 표본을 분리했습니다.

그들은 유일한 사람이 아닙니다. 티스 에테마네덜란드 Wageningen 대학의 진화미생물학자인 는 자신의 연구실이 아스가르드 문화를 풍부하게 하는 데도 진전을 이뤘다고 암시했으며 적어도 10개의 다른 연구실에서 유사한 프로젝트가 진행 중이라고 추측했습니다. "그들은 나에게 말하지 않을 것"이라고 그는 말했다.

유기체를 연결하기

Asgard archaea로 이어지는 트레일은 XNUMX년 전에 처음으로 따뜻해졌습니다. 그때 Etema, Schleper 및 안자 스팡현재 암스테르담 대학의 진화 미생물학자인 는 그들이 바라는 진화의 잃어버린 고리를 찾기 시작했습니다.

생물학자들은 오랫동안 유전 데이터를 사용하여 알려진 모든 유기체를 박테리아, 고세균 및 진핵생물의 세 가지 분류군으로 분류했습니다. 그러나 그들은 이 그룹들을 하나로 묶어야 할 가계도를 그리는 방법에 대해 큰 소리로 동의하지 않았습니다.

칼 워즈1970년대 후반에 고세균을 발견한 영향력 있는 미국의 미생물학자는 세 그룹이 독립적으로 존재하며, 각각의 존엄성이 비슷하고, 삶의 뚜렷한 "영역"을 대표한다고 주장했습니다. Woese와 그의 동료들의 관점에서 볼 때 고세균과 진핵생물은 더 오래된 조상의 후손인 자매 집단이었습니다. 그들의 반대자들은 진핵생물이 고세균에서 직접 진화했다고 주장하면서 단지 박테리아와 고세균의 "두 영역" 트리를 주장했습니다.

캠프가 형성되었습니다. 자리가 굳어졌다. Spang은 “시간을 거슬러 올라가는 것과 관계없이 우리의 기원과 관련된 모든 것은 인간이 깊이 관심을 갖는 것”이라고 말했습니다.

새로운 유기체가 분리되기 몇 년 전, 미생물 조사는 전 세계 해양 퇴적물에서 진핵생물의 게놈과 의심스러울 정도로 가까운 게놈을 가진 알려지지 않은 고세균 그룹에 대한 힌트를 포착했습니다. 에 의해 주도된 한 연구 슈테펜 요르겐센슐레퍼의 박사 과정 학생인 슐레퍼 박사는 2008년 대서양의 열수 분출구 근처에서 퍼낸 해저 쓰레기에서 이 신비한 미생물이 번성하고 있음을 보여주었습니다. 이 동일한 샘플에서 7.5g의 진흙을 사용하여 팀은 더 긴 DNA 시퀀스를 찾아내기 시작했습니다.

그들의 중간 목표는 존재하는 각 유기체로부터 유전자 서열을 얻기 위해 metagenomics라고 불리는 20년 된 기술을 사용하는 것이었습니다. Spang은 수천 개의 퍼즐 조각이 뒤섞인 더미가 있다고 상상해보십시오. 먼저 각 퍼즐에 어떤 조각이 속하는지 파악합니다. 그런 다음 각 퍼즐을 맞추십시오. Metagenomics는 진흙 속에 숨어있는 미생물의 DNA에서만 작동하는 방식으로 게놈을 조립할 수 있습니다.

그 분석, 2015년에 출판된 특히 도발적인 게놈 하나를 발굴했습니다. 그것이 속한 유기체는 진핵 단백질과 매우 유사한 적어도 175개의 단백질에 대한 유전자를 가진, 지금까지 발견된 가장 진핵 생물과 유사한 고세균인 것 같았습니다. 연구자들은 모든 진핵생물이 바로 그 고세균의 가까운 친척에서 나왔을 수 있다고 주장했는데, 이는 생명나무의 두 영역 버전을 강력하게 뒷받침하는 견해입니다.

Etema는 유기체를 Lokiarcheota라고 명명했습니다. 그 이름은 샘플이 수집된 곳 근처의 열수 분출구 형성물인 로키의 성에서 따온 것입니다. 그러나 2015년 논문은 추가적인 이유를 제시했다. 그들은 스칸디나비아 문학 학자의 말을 인용해 "로키는 '해결되지 않은 수많은 학문적 논쟁의 촉매제가 된 엄청나게 복잡하고 혼란스럽고 양가적인 인물'로 묘사됐다"고 썼다. 이 암시는 복잡한 세포의 기원인 진핵생성을 둘러싼 논쟁에 딱 들어맞는 것 같았습니다.

그들의 발견은 곧 세 영역 모델의 지지자들로부터 비난을 받았습니다. Loki 유기체는 실제로 존재 했습니까? 아니면 Spang이 metagenomic 퍼즐을 잘못 풀고 여러 다른 미생물의 게놈을 하나의 키메라, 상상의 생물로 섞었습니까?

그러나 곧 Etema, Spang 및 다른 많은 협력자들은 전 세계의 온천, 대수층, 염수 및 담수 퇴적물에서 Loki 유기체와 유사한 유전자 서열을 발견했습니다. 유기체는 전혀 드물지 않았습니다. 그들은 방금 간과되었습니다.

과학자들은 신흥 그룹에 북유럽 신화 주제인 오딘, 토르, 헬, 헤임달을 유지하는 새로운 이름을 부여하고 전체 영역을 북유럽 신들의 고향을 따서 아스가르드 고세균이라고 불렀습니다. 추가 게놈은 또한 많은 진핵생물 유사 단백질을 포함하는 것으로 보였고, 이는 우리의 진핵생물 가지가 아스가르드 조상으로부터 싹튼 생명 나무의 XNUMX도메인 버전을 추가로 지원했습니다.

그럼에도 불구하고 생명의 가계도에서 진핵 발생이 발생한 위치를 해결하는 것은 그 과정이 어떻게 전개되었는지에 대한 논쟁을 해결하는 데 거의 도움이 되지 않았습니다. 생물학자들은 아스가르드 고세균의 살아있는 사례를 연구하면 DNA 조각을 보고 얻을 수 있는 것보다 더 많은 통찰력을 얻을 수 있을 것이라고 의심했습니다. 2015년 Asgard 그룹이 발견된 직후 Schleper는 오스트리아에서 Loki를 키우기 시작했습니다.

하지만 그들 모두가 모르는 사이에 일본에서는 재배가 아주 천천히 번식하고 있었습니다.

얻기 힘든 미생물

"내 이름인 Hiro는 '관용'을 의미합니다."라고 Imachi가 말했습니다. 콴타 2020년 인터뷰에서 "저는 관용과 인내가 제 삶에서 중요하다고 생각합니다."

2006년 일본 연안에서 신카이 6500 2.5km 바다 아래의 해구 바닥에서 검은 유황 퇴적물의 코어를 뚫었습니다. 그해 말, Imachi는 이 퇴적물의 일부를 심해 환경을 시뮬레이션할 수 있는 생물 반응기에 넣었습니다. 그는 개발 도상국을 위해 하수 처리 시스템의 장비를 개조했습니다. 그런 다음 그는 이 이상한 정원이 어떻게 자랄지 알아보기 위해 자리를 잡았습니다.

Metagenomics는 알려진 배양 가능한 유기체 전체가 자연의 진정한 미생물 다양성의 일부에 불과하다는 것을 이미 밝혔습니다. 당시 대학원을 졸업한 이마치는 모든 미생물을 배양한다는 기발한 목표에 자신의 경력을 바쳤습니다. 그러나 실험실 연구를 위해 Loki와 같은 것을 키우려면 한 번에 여러 가지 어려운 장애물을 제거해야 합니다.

첫째, 해저 진흙의 작은 조각에는 수백 종의 미생물이 서식합니다. 원치 않는 박테리아를 제거하기 위해 박테리아에 치명적이지만 고세균은 견딜 수 있는 항생제를 추가할 수 있습니다. 그러나 항생제는 목표 고고학자가 없이는 살 수 없는 공생 박테리아 종을 죽일 수도 있습니다. 따라서 적절하게 치명적인 치료법을 찾기 위해 다양한 농도의 다양한 항생제를 실험해야 합니다.

둘째, 목표 유기체가 번성할 수 있는 영양분, 배지 및 퇴적물의 올바른 조합을 찾아야 합니다. 마지막으로, 목표가 전자 현미경으로 찾거나 실험할 수 있을 만큼 충분히 높은 농도로 성장할 때까지 기다려야 합니다. . 기분이 좋을 때 이마치가 키우던 유기체는 XNUMX~XNUMX주에 한 번씩 분열합니다. 비교해 보면, 대장균, 많은 미생물학 연구실의 일꾼인 박테리아는 단 20분 만에 의무적으로 두 배가 됩니다.

그들의 샘플이 Imachi의 생물 반응기에 들어간 지 2015년 반 후에 일본 팀은 내부에서 자라는 모든 것을 작은 유리관에 접종했습니다. 약 XNUMX년 후, 그들은 항생제가 투여된 튜브 하나에서 희미한 생명의 징후를 발견했습니다. 그런 다음 그들은 XNUMX년에 발표한 Lokiarcheota 그룹 Spang과 일치하는 서열을 가진 목표를 더 높은 농도로 밀기 시작했습니다.

2019년 여름, 원고를 사전 인쇄 서버에 업로드하기 직전에 Imachi는 Etema에게 초안을 보냈습니다. 그들의 성공을 발표. Etema는 수년 동안 유전자 염기서열을 통해 연구해 온 생물체의 첫 모습을 회상했습니다. "그것은 다른 행성에서 온 유기체처럼 보였다"고 그는 말했다. "나는 그런 것을 본 적이 없습니다."

일본 그룹의 전자현미경 이미지는 Loki 유기체가 진짜인지 metagenomics의 인공물인지에 대한 논쟁을 끝냈습니다. 그러나 그들의 작업은 또한 로키 고세균에 대한 두 가지 중요한 새로운 발견을 확립했습니다. 유기체가 작은 팔로 둘러싸여 있고 황산염을 환원시키는 박테리아와 메탄을 생산하는 또 다른 종의 고세균과 상호 의존적 덩어리에서 번성하는 것처럼 보였다는 것입니다.

한편, 오스트리아에 있는 Schleper의 연구실에서는 초기 XNUMX년 보조금이 줄어들고 있었고 새로운 자금이 보이지 않았습니다. 유기체를 배양하는 임무를 부여받은 한 박사후 연구원은 결국 과학계를 떠나게 되었습니다. 또 다른 팀원인 기술자는 피펫팅을 너무 많이 해서 손목 터널 증후군 수술이 필요했습니다.

그러나 2019년 가을, Rodrigues-Oliveira가 시작한 Loki 유기체의 문화가 조금씩 움직이기 시작했습니다. 그것은 일본형보다 약 절반의 시간으로 분열되었고 밀도는 50~100배 더 높았습니다. 그럼에도 불구하고 그것으로 작업하는 것은 여전히 ​​잎사귀처럼 될 수 있습니다 월도 어딨어? 책: Schleper는 전자 현미경을 통해 샘플을 36시간 동안 스캔한 결과 팀이 단 17개의 개별 표본을 발견했다고 말했습니다.

지난 XNUMX월, 그들은 그들의 결과를 자연. 이 Loki 역시 Schleper 그룹이 다른 유기체를 얽히고 그들과 상호 작용할 수 있다고 추측하는 촉수와 같은 필라멘트를 가지고 있었습니다. 일본 팀을 조사한 결과, 촉수가 진핵 세포가 지지 세포골격을 만드는 데 사용하는 액틴과 매우 유사한 Lokiactin이라는 단백질로 만들어졌다는 것을 보여주었습니다. 따라서 Lokiactin 유전자는 진핵생물 유전자와 같을 뿐만 아니라 진핵생물과 같은 기능을 수행합니다.

Lokiactin 유전자는 또한 과학자들이 접한 172개 정도의 Asgard 게놈에서 모두 나타납니다. 이는 전체 그룹의 조상, 그리고 아마도 모든 진핵생물의 조상이 유사한 원형 골격을 가졌을 수 있음을 의미합니다.

그렇다면 Schleper의 연구실은 현재 이 유기체를 가지고 무엇을 하려고 합니까? "모든 것!" 그녀는 웃으며 말했다.

복잡한 세포를 형성하기 위해 손을 내밀다

Asgard archaea가 기여하고 있는 현재 지배적인 4개 영역 그림 내에서 이 행성의 생명에 대한 큰 이야기는 다음과 같습니다. 약 XNUMX억년 전에 생명체는 두 개의 단세포 가지인 고세균과 박테리아로 갈라졌습니다.

유전적 증거는 2억년 후 아스가르드 그룹에서 온 것으로 보이는 고고학자가 어떻게든 박테리아를 섭취했을 때 두 가지가 다시 교차했음을 암시합니다. 이 과정은 한때 별개의 자유 생활 세포였던 것을 길들여 진핵 세포 내부에 지속되는 미토콘드리아라는 소기관으로 바꿨습니다. 그 운명적인 결합의 후손은 와편모류와 같은 다른 단세포 유기체로 분지한 다음 나중에 거시적 크기로 성장하고 화석을 남기고 바다와 육지 모두에 식민지를 형성하는 다세포 생물로 분기했습니다.

그러나이 내러티브 뒤에 서있는 이론가조차도 분열 된 진영에 속합니다. 어떤 사람들은 미토콘드리아 획득이 진핵 발생의 결정적인 사건이라고 주장합니다. 다른 이들은 미토콘드리아가 진행 중인 전환에서 늦게 도착했다고 주장합니다.

"당신은 이미 상당히 복잡하고 진핵생물과 유사한 아스가르드 고세균을 가지고 있었을 것입니다."라고 말했습니다. 톰 윌리엄스, 브리스톨 대학의 전산 미생물학자는 후자의 입장을 설명합니다. "그런 다음 그들은 이러한 견해의 극단적인 형태로 미토콘드리아를 획득했습니다. 케이크 위에 장식을 하는 것과 같았습니다." 그러나 Williams는 미토콘드리아가 그보다 더 일찍 획득되었다고 생각합니다. Asgards의 복잡성으로 인해 논의가 중간 관점으로 기울어 졌다고 그는 말했습니다.

그러나 Asgards에 대한 연구 데이터는 다른 방식으로 진핵생성 논쟁을 제한했습니다. 우선, 지금까지 재배된 두 Asgards는 다른 미생물의 측근과 분리하기 어렵다는 것이 입증되었습니다. 일본의 로키와 마찬가지로 오스트리아의 유기체는 추가 종의 고세균과 다른 황산염 환원 박테리아를 함께 배양하는 것을 선호하는 것 같습니다. 다음과 같은 진핵생물학을 연구하는 학자 퓨리피카시온 로페즈-가르시아 프랑스 국립 과학 연구 센터에서는 미토콘드리아가 바로 이런 종류의 세포 내에서 처음 포착되었다는 생각을 오랫동안 장려해 왔습니다. "신트로픽" 파트너십, 여러 종이 상호의존적으로 사는 곳.

Lokis가 액틴 촉수를 가지고 있다는 발견은 인사이드 아웃 모델, Spang과 Schleper가 말했다. 2014년 세포생물학자 버즈바움 유니버시티 칼리지 런던(University College London)과 그의 사촌인 진화 생물학자 데이비드 바움 University of Wisconsin, Madison은 그들이 가족 행사에서 제안한 아이디어를 제안했습니다. 최초의 진핵생물은 단순한 조상 세포가 세포벽을 넘어 돌출부를 확장한 후에 태어났다는 것입니다. 먼저 이 팔은 공생 박테리아를 향해 도달했습니다. 결국 그들은 그 파트너 주위를 닫았고, 그것을 원시 미토콘드리아로 바꿨습니다. 원래의 고세균 세포와 포획된 공생체는 모두 팔이 제공하는 골격으로 둘러싸여 있었습니다.

Asgard archaea가 여전히 환경 DNA 조각에서만 알려졌을 때 Baum은 회의 참석자들에게 유기체가 어떻게 생겼을 것이라고 생각하는지 그려달라고 요청했습니다. 튀어나온 팔을 자랑할 것이라고 예측한 뒤집어진 아이디어에 기반한 그의 그림은 모인 다른 과학자들을 놀라게 했습니다. Schleper는 당시 "그가 이런 재미있는 제안을 하는 것이 너무 이상해 보였다"고 말했습니다.

경쟁적인 분위기

진핵생물 발생의 사건은 개입된 시간과 유전자 교환에 의해 너무 모호해져 우리가 결코 확실하게 알 수 없을 수도 있습니다.

예를 들어, 현재 문화에 있는 두 로키 종은 살아있는 노래하는 추기경이 진화한 조상 공룡과 다른 것과 같은 방식으로 고대 고세균과 다른 현대 유기체입니다. Loki 그룹은 유전자 분석에서 진핵생물과 가장 밀접한 관련이 있다고 제안하는 Asgard archaea의 하위 집합도 아닙니다. (알려진 Asgard 게놈을 기반으로, 전인 에테마와 그의 동료들은 XNUMX월에 게시한 글에서 진핵생물의 조상이 헤임달 고고학자였다고 주장했다.)

그럼에도 불구하고 전 세계의 연구실은 Asgard 그룹의 더 다양한 대표자를 양성하여 그들과 우리의 공통 조상에 대한 새로운 단서를 얻을 수 있을 것이라고 도박을 하고 있습니다. Schleper가 노력하고 있습니다. 에테마도 마찬가지다. 그의 연구실이 Heimdall 및 Odin과 같은 그룹에서 고세균 약병을 가져올 새로운 동료를 곧 환영한다고 말한 Baum도 마찬가지입니다. 대화를 거부한 이마치도 마찬가지다. 콴타 이 이야기를 위해.

“지금 인터뷰를 하게 된다면 아직 발표되지 않은 새로운 데이터에 대해 이야기할 가능성이 높습니다. “지금은 매우 경쟁적입니다(비록 저는 이런 종류의 경쟁을 좋아하지 않지만).”라고 그는 덧붙였습니다.

다른 소식통들도 지나치게 압력이 가해진 분위기를 한탄했다. Spang은 “현장이 공유에 더 개방적이면 좋을 것”이라고 말했다. 고위험 고수익 육성 프로젝트를 맡는 경향이 있는 젊은 과학자들의 부담이 가장 무겁다. 성공은 빛을 더할 수 있습니다 자연 이력서에 종이. 그러나 실패한 노력에 수년을 낭비하면 과학 분야에서 일자리를 얻을 기회가 줄어들 수 있습니다. Schleper는 “정말 불공평한 상황입니다.

하지만 지금은 경주가 계속됩니다. Baum 사촌들이 2014년에 진핵생물 발생에 대한 아이디어를 발표했을 때 Buzz Baum은 우리가 진실을 결코 알지 못할 것이라고 생각했다고 말했습니다. 그런 다음 갑자기 Asgards가 나타나 단세포 단순성에서 오버 드라이브로 삶을 향상시키는 한계, 과도기 단계를 새롭게 엿볼 수 있습니다.

“이 아름다운 행성을 파괴하기 전에 우리는 약간 살펴봐야 합니다. 지구에는 우리가 전혀 알지 못하는 멋진 것들이 있기 때문입니다. 아마도 살아있는 화석과 같은 것들이 있을 것입니다. "어쩌면 내 샤워 커튼에 있을 수도 있어."

11년 2023월 XNUMX일에 추가된 수정 사항:
이 이야기의 이전 버전에서 Tom Williams는 진핵생성에 대한 "후기 미토콘드리아" 관점을 설명했을 때 그가 동의하지 않는 관점을 설명하고 있는지 명확하지 않았습니다.