Möt eukaryoten, den första cellen att bli organiserad

För tre miljarder år sedan var livet på jorden enkelt. Encelliga organismer styrde, och det var inte mycket med dem. De var vad vi nu kallar prokaryota celler, som inkluderar moderna bakterier och archaea, i huvudsak säckar med lösa molekyldelar. De virvlade ihop i grunda urbryggningar eller nära djuphavsöppningar, där de utvann energi från miljön och reproducerade sig genom att dela en cell i två dotterceller. Sedan, en dag, kokade den vildmarken av enkla celler ihop något mer komplext: förfadern till alla växter, djur och svampar som lever idag, en celltyp som vi känner till som eukaryot.

Eukaryotens debut förvandlade planeten. Idag består allt komplext flercelligt liv - ja, allt liv som någon av oss regelbundet ser - av eukaryota celler. Ingen vet säkert hur den första eukaryoten uppstod, men biologer tror att det tog minst en miljard år av interaktioner mellan bakterie- och arkeala celler för att den äntligen kom till.

"Eukaryoter är denna bananschimär av bakterier och arkéer," sa Leigh Anne Riedman, en paleontolog som studerar tidigt liv vid University of California, Santa Barbara. "Vi försöker fortfarande reda ut exakt hur det hände och vem som var inblandad."

Eukaryoterna uppfann organisationen, om vi använder den bokstavliga definitionen av "organisera": att vara försedd med organ. Inuti en eukaryot cell finns fristående, membranbundna buntar som utför speciella funktioner, så kallade organeller. Alla eukaryota celler - djur, växter, svampar eller protister - har en kärna som omsluter och skyddar DNA. Nästan alla av dem har mitokondrier, som producerar energi för att underblåsa biokemiska reaktioner. (Alla eukaryota linjer som saknar mitokondrier brukade ha dem och förlorade dem sedan någon gång i evolutionens historia.) Och tvärs över det evolutionära trädet har olika eukaryoter utvecklats eller skaffat ytterligare organeller som sätter ihop proteiner, lagrar vatten, förvandlar solljus till energi, smälter biomolekyler, bli av med avfall och mer. Om prokaryoter är en lös hög med papper på golvet, är eukaryoter ett sofistikerat arkiveringssystem som binder sidor till paket och märker dem.

"De har det endoplasmatiska retikulumet, Golgi-apparaten, peroxisomer, lysosomer, vakuoler - allt detta maskineri som inte finns i bakterier eller arkeaceller," sa Thijs Ettema, en evolutionär mikrobiolog vid Wageningen University i Nederländerna.

Hur allt detta hände är inte helt klart, men idag är de flesta experter överens om att för 2 miljarder eller 3 miljarder år sedan slukade en arkeisk cell en bakteriecell, som på något sätt undgick matsmältningen och anpassade sig till livet inuti sin värd. Den bakterien utvecklades till att bli den organell vi nu känner som mitokondrien.

Sedan den ursprungliga handlingen har eukaryoten förvandlats om och om igen. Det utvecklades först till en mängd unika encelliga varelser, såsom förfäderna till moderna diplomater, som simmar med dubbla svanskluster, och parasit mikrosporidianer, som skjuter ut lindade rör för att infektera offerceller.

Vid någon tidpunkt, i en uppföljare till mitokondriell infångning, uppslukade en eukaryot en cyanobakterie som kan fotosyntes - processen att använda solljus för att skörda kol från luften och snurra det till energi. Den grenen av den eukaryota familjen, nyförsedd med gröna organeller som kallas kloroplaster, utvecklades till växter och andra fotosyntetisatorer.

Sedan, inom de senaste miljarderna åren, började några enskilda eukaryoter arbeta tillsammans. Kollektiv blev kolonier, och de organiserades ytterligare när hela celler började specialisera sig, eller utföra unika funktioner inom en komplex flercellig kropp. Multicellularitet låste upp ännu högre nivåer av sofistikering, vilket resulterade i svampar, träd, flodhästar och människor.

Eukaryoter har sedan dess spridit sig över världen och brutit ut ur urpölar för att kolonisera glaciärer, öknar och överallt däremellan. Eukaryoter har varit enormt framgångsrika eftersom vi är stora, rörliga och hungriga. "Nischen av makroskopiskt liv var tillgänglig för att ta", sa Ettema. Eukaryoter dök upp för att hitta en ledig roll och utvecklades för att fylla och utöka den.

Den första värden

Under många decennier ansåg biologer eukaryoter vara en av tre huvudområden för livet på jorden. Livet består av tre olika celltyper: bakterier och archaea, som båda är prokaryota celler med några viktiga skillnader - till exempel i deras cellmembran och reproduktionsstrategier - och sedan finns det eukaryoter, som är en mycket annorlunda typ av celler. Experter trodde att bakterier, arkéer och eukaryoter var och en utvecklades oberoende av en äldre förfader.

Ny forskning har dock ändrat den uppfattningen. Under de senaste decennierna har ett träd med två domäner rådit, där eukaryoter uppstod inifrån arkéer snarare än bredvid dem. Teorin stöds av de senaste försöken att avslöja identiteten för vår senaste prokaryota förfader - den uråldriga cellen som först omslöt en bakterie, vilket resulterade i den eukaryota celltypen. Under det senaste decenniet, upptäckten av Asgard archaea, våra närmaste levande prokaryota släktingar, har erbjudit värdefulla ledtrådar.

År 2015 letade Ettema efter den mystiska första värdcellen i ett fält av sulfidskorstenar på botten av Atlanten. Undervattensventiler är bra kandidater för den ursprungliga cellens barnkammare eftersom de sprutar ut varmt vatten rikt på kemisk energi, som vissa prokaryoter kan använda för att göra energi åt sig själva. Hans team samlade in mikrobiell slask från en plats känd som Lokis slott. Tillbaka på labbet använde de en teknik som kallas metagenomics för att reda ut röran av mikrobiellt DNA och rekonstruera genomen av enskilda celler.

Ettema och hans team blev förvånade över att hitta gener som såg misstänkt eukaryota ut bland de förväntade spåren av arkéer och bakterier. Vid ytterligare undersökning fann de vad som mycket väl kan vara den felande länken i vår förståelse av eukaryotisk evolution: en prokaryot med kännetecknande eukaryot komplexitet i genomet. De döpte mikroben Lokiarchaea efter sin hemventilation.

Ettema misstänkte att en cell från den här familjen, senare kallad "Asgards", kan vara en övertygande kandidat för den första hungriga värden som slukade en bakterie som blev en mitokondrie. Om så var fallet, föreslog han, att forntida Asgard-arkaean kan ha utvecklats till den eukaryota grenen medan resten av dess familj smeds vidare som prokaryoter.

"Alla Asgard archaea vi ser idag är ... misslyckade eukaryoter," sa han.

Forskare har sedan grävt fram Asgard DNA över hela världen, inklusive i North Carolina och Yellowstone National Park. Men bara två labb har framgångsrikt odlat Asgard-celler. Dessa celler avslöjar några eukaryotliknande drag, såsom ett cytoskelett byggt med proteinet aktin. Resten är fortfarande under utredning, och deras cellulära strukturer är okända.

I dag, de flesta forskare håller med att Asgards är de närmast kända prokaryota släktingarna till eukaryoter. Moderna Asgards är inte våra förfäder, men vi delar sannolikt en förfader någonstans i djup tid. "Du kan hävda att eukaryoter är Asgards på samma sätt som fåglar är dinosaurier," sa Itay Budin, en biokemist vid University of California, San Diego. "De är typ våra kusiner."

Hur man blir organiserad

Processen genom vilken en arkeisk cell förvandlade en frilevande bakterie till sitt eget cellulära maskineri - kallad endosymbios - förblir till stor del dold av evolutionens historia. De flesta biologer tror att en prokaryot "sväljde" en annan i en process som kallas fagocytos. Men fagocytos tar mycket energi. Faktum är att det är så energidyrt att vissa tror att det skulle ha varit omöjligt utan att den första värdcellen redan hade energigenererande mitokondrier - vilket öppnar en knepig, mikrobiell kyckling-och-ägg-debatt.

Moderna Asgards ger oss en ledtråd som kan få oss att komma runt den här sinnebendaren: Deras cytoskelett antyder att de kan använda små armliknande projektioner som kallas blebs för att fånga in prokaryotisk mat, utan att behöva mitokondrier. Kanske den första eukaryota förfadern också gjorde det.

Det är inte den enda dimmiga delen av processen. Forskare diskuterar också om mitokondriella bakterien, troligen från en mångsidig och uråldrig klass känd som alfaproteobakterier, till och med var den första endosymbionten. Medan det eukaryota genomet är en Frankenstein mashup av gener som kommer från arkéer och bakterier, "många av dessa gener spåras inte tillbaka till alfaproteobakterier eller någon annan bakterie i närheten av trädet", sa evolutionsbiologen Toni Gabaldón, vars labb är gemensamt knutet till Institutet för forskning i biomedicin i Barcelona och Barcelona Supercomputing Center. "Kanske fanns det andra symbionter, en annan organell som lämnade några gener. Vi vet väldigt lite om hur det gick.”

Att reda ut trådarna som spårar tillbaka till eukaryoternas ursprung kan vara omöjligt efter miljarder år av genetisk förvrängning. Under de kommande decennierna har kombinationen av metagenomik med andra tekniker, såsom mikrobfossilanalys och inducerad endosymbios, potentialen att avslöja fler ledtrådar till vårt ursprung.

"Det mest fascinerande med eukaryoter är att vi fortfarande inte förstår hur de kom till," sa Gabaldón. "De är otroligt olika, överallt och har anpassat sig till många olika livsstilar. Vi har fortfarande mycket att lära."

Korrigering: Oktober 28, 2024
En mening som beskriver den arkeiska värdens diet raderades.