「Nature」12年时间！神秘古菌终被培养出来，揭开细胞进化历程

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作者：Yun

导言：随着科学家对神秘古菌的了解越来越多，他们发现有关构成人、植物等的复杂细胞进化的线索。

古细菌（简称古菌）作为生物三界之一（另外两界为细菌和真核生物），起源比细菌更为古老，其通常存在于深海、高温等极端环境中。而且，它们可能是地球上复杂生命进化的关键。尽管真核生物和古菌可能都起源于共同的祖先，但是许多科学家怀疑是古菌促进了真核生物群的产生，例如变形虫、蘑菇、植物和人等。

一种流行的进化理论表明，真核生物就是起源于古菌，古菌在此过程中与其他微生物融合。但是研究人员在探索这个想法时遇到了麻烦，部分原因是古菌很难在实验室中生长和研究，以至于它们的发育和分裂方式仍然是神秘的。

近日，顶级期刊《Nature》上发表了一篇题为“The mysterious microbes that gave rise to complex life”的文章，介绍了古菌的发展历程。

澳大利亚悉尼科技大学的分子微生物学家Iain Duggin说，在过去的十年中，关于这种神秘的微生物的出版物增长了近一倍。他说：“我们可以做一些有趣的基础实验，并走出重大发现的第一步。这样我们能够更清楚地了解最早的真核生物是如何进化的？”

威斯康星大学麦迪逊分校的Baum正在研究一种古细菌。Baum花了很多时间想像人类遥远的祖先可能是什么样子？而恰巧《BioRxiv》预印本中发布了科学家花了12年培养出来的古菌。它具有触手似的突起，其中细胞看起来像肉丸，然后上面附着了一些意大利面条。

图：科学家花了12年时间培养的古菌

该图像令Baum震惊。后来它在《自然》期刊上发表，这些图片使世界各地的微生物学家兴奋不已，它们是科学家艰苦奋斗12年的古菌成果，并被认为与真核生物的产生密切相关。

五年前，Baum和他的堂兄Buzz Baum发表了关于真核生物起源的假说。他们预测跟这张图片神似，所以当 Baum凝视着类似意大利面条的古菌时，他惊讶：“哦，我的天哪，我们的猜想是对的！”

谜团慢慢解开

如果真核生物确实是一个强大的古生菌，那么科学家必须了解古生菌才能明白更复杂的细胞是如何形成的？尽管研究真核生物和细菌的科学家数十年来一直深入研究细胞分裂和生长的过程，但古菌的内部运作仍然模糊。

从土壤到海洋，所有细胞的共同点是它们分裂成更多的自己。它发生在地球上所有基于细胞的生命的共同祖先中，但是随着有机体适应不同生态环境，这一过程开始变得不同。

研究人员可以通过观察这种差异来探索进化。所有细胞生命机制都具有从最早的细胞继承来的生物学共同点。相比之下，仅古细菌和真核生物或细菌和真核生物之间共享的系统暗示了哪个亲本提供了真核生物的各种成分。例如，真核细胞与外部环境分离的柔性膜类似于细菌中的膜。

图：烫手的泉水中，繁衍着一些古细菌

Duggin研究了古菌中的细胞分裂。它喜欢咸水条件，例如死海。

尽管细菌，真核生物和古细菌之间存在巨大差异，但这些群体确实共享了几个细胞分裂系统。在细菌中，一种称为FtsZ的蛋白质会在细胞分裂的未来部位形成一个环。Duggin和他的合作者在火山嗜血杆菌（H. volcanii）中观察到了同样的现象。因此，FtsZ似乎根源于进化的基础。

然而，在进化的某个时刻，一些古细菌将细胞分裂工作分配给了另一组蛋白质。Baum的团队一直在研究古细菌Sulfolobus acidocaldarius。这个名称很合适：它喜欢酸和热。实验室成员戴上手套以保护自己免受其中的酸性液体的伤害，并建立了一个特殊的腔室，使他们可以观察到它在显微镜下分裂而没有冷斑或蒸发的现象。

图：科学家正在研究古细菌如何生长和分裂，Sulfolobus（左），Halobacterium（中）和Methanosarcina（右）

Baum的团队看到了一组完全不同的蛋白质来管理分裂环。在最初发现它们的真核生物中，这些蛋白质不仅与分裂有关，它们具有更广泛的作用：将膜在整个细胞内分开，形成囊泡以及其他小容器。这些蛋白质被称为ESCRT（运输所需的内体分选复合物）。在酸性嗜盐杆菌中，研究小组发现了与管理分裂环有关的古细菌蛋白质，这表明ESCRT的早期版本是在真核生物的古细菌中进化的。

同时，FtsZ演变成真核微管蛋白，为我们的细胞赋予结构。这些发现表明，真核生物的古细菌祖先可能拥有一个用于成形和分裂细胞的试剂盒，该试剂盒可以自然选择，然后适应更复杂的后代细胞的需要。

古细菌祖先

但是古细菌祖先是什么样的细胞呢？它是如何与细菌相遇并合并的？

生物学家Lynn Margulis于1967年首次提出，当一个细胞吞噬另一个细胞时，就会出现真核生物。大多数研究人员都认为，吞噬仍在继续，但是对于何时发生以及真核生物内部隔室是如何产生的却有不同的想法。

许多模型认为，最终变成真核细胞的细胞在遇到要变成线粒体的细菌之前已经非常复杂，具有柔性膜和内部隔室。这些理论要求细胞发展出一种吞噬外在物质的方式，即吞噬作用，因此它们可以以致命的方式捕捉经过的细菌。相比之下，Gould和其他人则认为线粒体是早期获得的，因此它们有助于为更大，更复杂的细胞提供能量。

Baum模型是少数几个解释线粒体如何在不吞噬的情况下产生的模型之一。David Baum于1984年在英国牛津大学攻读本科时首先提出了这个想法。古细菌可能会开始伸展其外膜，以增加表面积以进行营养交换。随着时间的流逝，这些凸起可能会在细菌周围扩散和生长，直到细菌或多或少地处于古细菌内部。同时当某些特别长的触角在边缘附近长大时，细胞的新外膜将形成。与古细菌前体相比，细胞变大了。

该物种是第一个从称为Asgard古细菌的群体中进行培养的物种。2015年描述的这些生物，其基因编码的蛋白质被许多科学家认为与真核生物非常相似。研究人员很快就怀疑真核生物的古细菌祖先类似于阿斯加德古细菌。通过指出潜在的祖母，这一发现支持了Baum的假设。

Asgard代表（尚未定名，目前被称为Candidatus'Prometheoarchaeum syntrophicum'）在生物反应器中生长，旁边有一对与微生物共享营养的微生物悬挂器。值得注意的是，它没有任何复杂的内部膜或迹象，它曾经希望吞噬那些同伴。它具有三个与细胞分裂有关的系统。

当细胞停止分裂并伸出触手时，最大的惊喜就来了。Baums暗示，这些可能会增加与古细菌共培养的微生物之间的营养交换，正如他们对祖母细胞的模型所预测的那样。

根据他们的观察，Nobu和他的同事们开发了一种关于真核生物如何进化的理论，该理论与Baums的思想有很多共同之处。它涉及一种微生物延伸的细丝，最终将其伴侣吞没。Nobu说：“我喜欢我们的假设，因为它允许真核生物特有的复杂性（原子核和线粒体同时发生）”。

随着研究人员继续培养和研究古细菌，实验室中现已成功培养出数十种微生物。Buzz Baum和他的合作者正在调查古细菌中的共生关系，并分析微生物家谱以进一步检验他们的想法。Nobu和他的同事正在更详细地研究这些突起，并致力于其它Asgard古细菌。

可能还有更多证据等待发现。例如，Baums预测，可能有可能发现其中触手膜尚未完全与外部细胞膜分离的真核生物。“它们既是细菌，又是古细菌，又是新发明。”Buzz Baum说道。

参考资料：

【1】
https://www.nature.com/articles/d41586-021-01316-0

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。