Cultivate în Japonia, rudele cele mai apropiate ale vieții complexe nu au nucleu

Cei mai apropiați în viață rude ale fiecărui animal, plantă și ciupercă de pe Pământ cresc acum într-un laborator din Japonia și nu seamănă deloc cu strămoșul pe care mulți biologi și l-au imaginat. O echipă de la JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, a cultivat primele culturi pure de Heimdallarchaeia, un grup de archaea unicelulare din care se crede că au apărut celulele complexe. În interior, celulele sunt simple: fără nucleu, fără compartimente interne, nimic care să semene cu organitele care definesc propriile noastre celule.

Surpriza este la exterior. Fiecare celulă emite brațe lungi și ramificate care se agață de microorganismele partenere de care nu se poate lipsi, iar celulele se îmbolnăvesc când sunt expuse la oxigen, deși poartă gene pentru a-l gestiona. Împreună, aceste trăsături conturează portretul celui mai profund strămoș unicelular al nostru ca pe un microb lent, care fuge de oxigen și trăiește prin parteneriat, nu ca o versiune în miniatură a celulei complexe în care avea să se transforme.

Descoperirea atinge una dintre cele mai vechi întrebări ale biologiei: cum o celulă simplă, fără nucleu, s-a transformat în elaborata celulă eucariotă care alcătuiește fiecare corp uman. Răspunsul principal susține că o celulă archaeală a format un parteneriat strâns cu o bacterie, iar bacteria a fost în cele din urmă înghițită și a devenit mitocondria, centrala energetică din interiorul celulelor noastre. Care linie archaeală a jucat rolul de gazdă și cum arăta aceasta a fost dezbătut ani de zile mai ales pe baza fragmentelor de ADN extrase din noroi și apă de mare.

Heimdallarchaeia se află în centrul acelei dezbateri. Ele aparțin încrengăturii Promethearchaeota, mai bine cunoscută sub numele anterior de Asgard archaea, iar arborii genealogici genetici le plasează drept ramura archaeală cea mai apropiată de eucariote. Până acum nimeni nu văzuse una în viață de aproape, așa că propunerile conform cărora ar fi avut deja structuri interne complexe sau ar fi putut respira oxigen ca noi s-au bazat doar pe citiri ale genomului.

Cum au procedat

Microorganismele provin dintr-un loc neobișnuit: un biofilm care acoperă interiorul unui puț de gaze naturale din Peninsula Boso, Prefectura Chiba, la est de Tokyo. Acolo, apele subterane sărate și bogate în metan ies la suprafață și erup periodic ca un mic gheizer, astfel că filmul este expus în mod regulat la aer. Echipa a ales situl intenționat, sperând să prindă rude ale eucariotelor care aveau o anumită istorie cu oxigenul.

Cultivarea lor a durat trei ani. Cercetătorii au hrănit culturile cu cantități mici de hrană bogată în proteine, inclusiv cazeină hidrolizată, peptonă și lapte praf, și au folosit runde de antibiotice pentru a ucide bacteriile concurente, transferând supraviețuitorii în mediu proaspăt din nou și din nou. Rezultatul a fost două tulpini, numite HC1 și SC1. HC1 trăiește acum într-o pereche stabilă cu un singur microorganism partener producător de metan; SC1 trăiește într-un trio cu doi astfel de parteneri.

Nu sunt crescătoare rapide. HC1 durează aproximativ o săptămână sau mai mult pentru a se dubla, iar SC1 două-trei săptămâni. O bacterie intestinală precum E. coli se poate dubla în aproximativ 20 de minute. Echipa a examinat apoi celulele cu microscoape electronice cu scanare și transmisie, tomografie crio-electronică care reconstruiește o celulă înghețată în 3D și marcare fluorescentă, și a secvențiat ambele genomuri, care au ieșit la 7,91 și 6,75 milioane de litere de ADN.

Simple în interior, agitate în exterior

În zeci de micrografii electronice, niciuna dintre tulpini nu a arătat vreo membrană internă permanentă, semnul distinctiv al celulelor eucariote. Câteva celule conțineau structuri mici asemănătoare unor bule care apăreau și dispăreau, dar nici nucleu, nici reticul endoplasmatic și nimic pe care un biolog celular l-ar numi organit. Celulele se divid în două, ca microorganismele obișnuite.

Suprafețele lor au spus o altă poveste. După o fază de creștere, majoritatea celulelor au extins multiple brațe de aproximativ 370 nanometri grosime, care se ramifică și se umflă, iar acele brațe conțineau adesea mai mult volum decât corpul celulei în sine, de aproximativ 1,4 ori mai mult în medie. Brațele erau împletite cu filamente asemănătoare actinei, proteina care dă formă propriilor noastre celule, și se agățau fizic de microorganismele partenere. Celulele aflate în mijlocul diviziunii nu aveau niciodată astfel de brațe.

Acest parteneriat nu este opțional. Ambele tulpini descompun fragmente de proteine și eliberează hidrogen ca deșeu, o reacție care se blochează dacă un partener nu continuă să elimine hidrogenul. Când cercetătorii au blocat partenerii producători de metan cu un inhibitor, archaea au încetat complet să crească.

Încă o trăsătură a atras atenția echipei. Când HC1 a primit mai multă hrană, nu s-a divizat mai repede. În schimb, celulele sale au crescut mai mari și au emis mai multe brațe. Imagistica pe o arie largă a aproximativ 15.000 de celule a arătat brațe mai mari și mai numeroase per celulă, iar proteina per celulă a crescut de la 66 la 226 femtograme. Bacteriile și archaea tipice investesc energia suplimentară în reproducere. Schimbul dintre dimensiune și reproducere este, notează autorii, ceva ce fac eucariotele.

Enigma oxigenului

HC1 poartă gene pentru oxidaze terminale, enzime care la animale se află la capătul lanțului care arde oxigenul pentru energie. Unii cercetători au citit gene similare în ADN-ul Heimdallarchaeia ca pe un semn că strămoșul eucariotelor respira deja oxigen. Culturile spun altceva. Adăugarea chiar și a unor urme de oxigen, sau a unei atmosfere cu 1% oxigen, a redus numărul de celule HC1 de aproximativ o sută de ori.

HC1 a putut supraviețui oxigenului doar cu ajutor. Când bacteriile consumatoare de oxigen, izolate din îmbogățirea originală, au fost adăugate în cultură, HC1 a crescut în ciuda nivelurilor scăzute de oxigen, deși nu a produs mai multe celule decât înainte. Genomul său lipsește, de asemenea, de mașinăria necesară pentru a direcționa electronii de la hrană la oxigen. Echipa concluzionează că oxidazele funcționează ca o apărare, curățând oxigenul, la fel ca în alte anaerobe stricte. Feritina, o proteină care limitează daunele provocate de oxigen care implică fierul, s-a numărat printre cele mai exprimate trei proteine din HC1.

Un test la scară genomică a indicat același lucru. Cercetătorii au antrenat un clasificator pe enzime care disting organismele care au nevoie de oxigen de cele care îl evită, iar acesta a sortat microorganismele cunoscute corect în aproximativ 95% din cazuri. Aplicat pe întreaga încrengătură Asgard, a indicat grupul ca fiind în mare anaerob, cu sau fără gene de oxidază.

Aceasta se potrivește cu o idee cunoscută sub numele de modelul Ox-Tox: bacteria care a devenit mitocondria și-a câștigat mai întâi locul absorbind oxigenul care era toxic pentru gazda sa archaeală, cu mult înainte de a deveni furnizorul de energie al celulei.

Ce nu rezolvă

Aceste microorganisme sunt veri ai strămoșului, nu strămoșul însuși. Au avut la fel de mult timp să evolueze ca și noi, aproximativ două miliarde de ani după cele mai multe estimări, iar orice trăsătură observată astăzi poate fi fost câștigată sau pierdută pe parcurs. Chiar analiza echipei sugerează că genele de manipulare a oxigenului s-au mutat lateral între grupuri înrudite, așa că dacă strămoșul le-a purtat sau nu rămâne deschis.

Eșantionul este, de asemenea, mic. Doar trei tulpini din această ramură a arborelui au fost examinate la microscop: HC1, SC1 și o cultură de îmbogățire raportată anterior de un alt grup. Toate trei nu au organite, dar o linie atât de diversă ar putea include membri cu interioare mai elaborate. Bulele interne ocazionale din unele celule nu au încă nicio explicație, iar autorii nu le numesc nici organite primitive, nici artefacte.

Contează și condițiile de laborator. Formele celulelor s-au schimbat atunci când celulele au fost fixate chimic pentru imagistică, iar brațele tindeau să se rupă, un avertisment pe care autorii înșiși îl semnalează cu privire la citirea anatomiei din probe conservate. Culturile sunt perechi și triouri pure cu parteneri, nu culturi de o singură specie, deoarece archaea nu pot crește singure.

O linie acum deschisă experimentelor

Grupul JAMSTEC a cultivat primul membru al grupului mai larg Asgard, o tulpină numită MK-D1 din sedimente de adâncime marină, și a raportat-o în 2020. În 2023, o echipă de la Viena a descris o a doua, Lokiarchaeum ossiferum, cu brațe similare. Noile tulpini aparțin ramurii celei mai apropiate de eucariote, cresc mai repede decât MK-D1 și au celule mai mari, ceea ce le face mult mai ușor de studiat.

Echipa a propus nume pentru ambele: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum pentru HC1, un nume de gen care poartă numele de familie al lui Lynn Margulis, biologa care a susținut teoria că mitocondriile au început ca bacterii capturate, și Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum pentru SC1.

Întrebări frecvente despre archaea din spatele vieții complexe

Ce sunt Asgard archaea?

Asgard archaea, numite acum oficial Promethearchaeota, sunt un grup de microorganisme unicelulare identificate pentru prima dată din ADN de mediu, numite după mitologia nordică. Genomele lor poartă multe gene considerate cândva unice pentru eucariote, motiv pentru care sunt văzute ca linia din care au apărut celulele complexe.

Au evoluat oamenii din archaea?

Într-un sens profund, da. Modelul principal susține că prima celulă eucariotă s-a format atunci când o archaeon înrudită cu Heimdallarchaeia de astăzi s-a asociat cu o bacterie care a devenit mitocondria. Fiecare animal, plantă și ciupercă descinde din acea celulă fuzionată.

Au Heimdallarchaeia nucleu?

Nu. Tulpinile cultivate HC1 și SC1 nu au nucleu și nici membrane interne permanente. Complexitatea lor se află la exterior, în brațe lungi și ramificate care se conectează la microorganismele partenere.

Pot aceste archaea trăi cu oxigen?

Abia. Sunt anaerobe și numărul lor scade de aproximativ o sută de ori cu urme de oxigen, dar o tulpină a supraviețuit la oxigen scăzut atunci când bacteriile consumatoare de oxigen au împărțit cultura cu ea.

Studiul a fost publicat în Nature pe 28 octombrie 2026 și a fost postat pentru prima dată ca preprint în februarie 2025. JAMSTEC spune că cele două tulpini vor servi acum ca modele experimentale, echipa îndreptându-se către structurile lor celulare și modul în care se leagă de microorganismele partenere pentru a urmări cum o celulă archaeală cu brațe la exterior a ajuns să construiască un nucleu în interior.

Referință: Imachi, Nobu et al., „Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Etichete: știri, arhee, Asgard archaea, biologie celulară, eucariote, evoluție