雑種微生物が複雑な生命の物語をテスト

2014 年 9 月、Christa Schleper はスロベニアで珍しい狩猟遠征に乗り出しました。シュレパーは、シカやイノシシの標準的な採石場を探す代わりに、ノルウェー沖の深海の通気口の近くで最初に特定された、新たに発見された生物のグループであるロキアーキオータ、またはロキを探していました。単純な単細胞生物は、科学的に知られている他の生物とは異なるため、科学者の関心を集めています。彼らは古細菌として知られる生物の古代グループに属していますが、私たちを含むより複雑な生命体といくつかの特徴を共有しているようです.

ロキについてはほとんどわかっていませんが、科学者たちは、生物学の最大の謎の 1 つを解決するのに役立つことを望んでいます。それは、生命がどのようにして単純な単細胞生物から真核生物として知られる複雑な生命の群れに変化したかということです。ゾウ。ノバスコシア州のダルハウジー大学の進化生物学者であるジョン・アーチボルドは、「生命の起源の次に大きな謎はおそらくないでしょう」と述べています。

単一細胞から複雑な生物へのジャンプは、進化の巨大な溝を表しているため、非常に不可解です。 「どうやって真核生物を作るのか、それは大きな問題です」とオーストリアのウィーン大学の微生物学者であるシュレパーは言いました。 「これは大きな移行です。」

単細胞生物は地球を覆い、素晴らしい生化学を行うことができますが (たとえば、核廃棄物を食べるものもいます)、その構造と形状は単純なままです。真核生物を構成する動物、植物、菌類の細胞は、はるかに洗練されています。それらは、より単純な兄弟に欠けている一連の機能を持っています。それは、DNA を収容する核です。ミトコンドリアとして知られるエネルギー生産装置。細胞骨格として知られる分子構造で、細胞の形状と動きを制御します。

ほとんどの生物学者は、約 20 億年前のある時点で、1 つの特徴のない細胞が別の細胞を飲み込み、2 つが 1 つとして一緒に働き始めたことに同意しています。しかし、この共生が進化のプロセスを飛躍的に開始したのか、それとも真核生物への道の途中で起こったのか、このプロセスの詳細は、この分野で大きな論争を引き起こし続けています.あるグループは、真核生物がミトコンドリアとして知られる細胞エネルギー工場の獲得によって急速に出現したと理論付けています。よりゆっくりとした段階的なプロセスを提案する人もいます。彼らは、ミトコンドリアは単純な細胞では発達できなかったと言います。ミトコンドリアが搭載される前に、ある程度の複雑さが進化したに違いありません。議論が過熱し、各陣営のメンバーはもう一方の会議セッションに出席しなくなりました。

生物学者は時間をさかのぼることができないため、生き残った生命体から手がかりを探します。しかし、太古の単細胞生物と初期の真核生物の間に検出可能な中間体が存在しないため、進化の順序を再構築することはほぼ不可能です。 「何かが一度しか起こらない場合、問題に取り組むのは難しい」とアーチボルド氏は語った。 「私たちは、現生生物の DNA 配列を研究し、それをつなぎ合わせようとしています。」

一部の科学者が微生物ミッシングリンクと呼んでいるロキを入力してください。それは古代の血統の子孫であり、明らかに複雑な斑点を持つ単純な生物です。遺伝子解析により、ロキは単細胞の古細菌に分類されます。しかし、中世の写本に点在する現代の言葉のように、真核生物ではより家にいるように見える興味深い遺伝子のコレクションを持っています.実際、ロキの遺伝子機構は、この生物がミトコンドリアの作成の最初のステップである他の細胞を飲み込むことができる可能性があることを示唆しています. 「これらの遺伝子は、真核生物の出現である真核発生のスターター キットを提供した可能性があります」と、スウェーデンのウプサラ大学の微生物学者である Thijs Ettema は述べています。

このようにロキは、真核生物の新しい可能性のある起源の物語を概説しています。これは、両極端の間の中間の道を歩むものです.ミトコンドリアは、真核生物の進化の初期に生まれた可能性があります。しかし、その最初のミトコンドリア宿主は、いくつかの洗練された機能、特に他の細胞を飲み込む能力をすでに持っていた可能性があります。 「[ロキ] が真核生物の複雑さへの足がかりであることを示唆しています」とアーチボルドは言いました。

Schleper、Ettema らは現在、ロキの新種を探しており、進化系統樹上で真核生物にさらに近いものを見つけようとしています。スロベニアへのシュレパーの遠征は、この進行中の狩猟の一部でした。旅は成功したが、彼女はスクープされることを恐れて詳細を明らかにすることをためらっている.金の探鉱者のように、彼女はロキを見つけるための最も有望な場所を見つけ出す独自の秘密の方法を持っています.しかし、彼女の発見はさらに貴重であり、複雑な生命がどのように始まったかの謎を明らかにすることを約束します.

ミトコンドリアの合併

真核生物には、より原始的な古細菌の祖先と比較して、多くの革新があります。その中で最も注目に値するのは、バクテリアや古細菌が収容できるよりもはるかに多くの DNA を収容する核と、そのゲノムによって生成される多くのタンパク質を製造するためのエネルギーを提供するミトコンドリアです。

核とミトコンドリアはどちらも、真核生物の初期に起こった驚くべき融合を反映しています。ある時点で、古細菌または原始真核生物が細菌を飲み込み、共生関係を発展させました。あらゆる可能性に反して、2 つの生物は不可逆的に絡み合うようになりました。常在菌は宿主細胞にますます依存するようになり、その遺伝子の大部分を放棄し、そのうちのいくつかは核に行き着きました.その結果、ミトコンドリアを誕生させた進化の歴史における特異な発展がありました。

ユニバーシティ カレッジ ロンドンの生化学者である Nick Lane は、「40 億年の進化における 1 つの出来事が、真核生物の将来の進化全体を形作ったのです。これは一種の奇妙なことです」と述べています。 「うまくいかない可能性があります。なぜなら、2 つの生物はどのように仲良くし、ライフサイクルを同期させるかを考え出さなければならないからです。」

ミトコンドリアがいつどのようにして搭載されたのかは、真核生物の起源をめぐる最大の論争の 1 つです。ミトコンドリアは早い段階で出現したのでしょうか、それとも真核生物が時間をかけて徐々に発達し、途中でミトコンドリアを獲得したのでしょうか?

「この分野は、真核生物の細胞の複雑さの大部分がミトコンドリアの進化前、進化中、進化後に生じたのかという問題に本当に悩まされています」と Archibald は述べた。議論は非常に激しく、Ettema がこの問題を調査し始めたとき、同僚は彼にキャリアの自殺になるだろうと言った.

ビッグバン理論またはミトコンドリア初期理論と呼ばれる最初の選択肢は、原始古細菌が真核生物の発生を促進した出来事である細菌を飲み込んだことを予測しています。しかし、古細菌がどのようにしてその細菌を拾い上げたのかは不明です。科学者は、細菌が他の細菌の中に住んでいる 2 つのケースしか知りません。 （一方、真核生物はしばしば共生細菌をかくまう。）「これは、ミトコンドリアファーストのシナリオが直面する最大のハードルの 1 つです」と、メリーランド州ベセスダにある国立バイオテクノロジー情報センターの進化生物学者 Eugene Koonin 氏は述べています。 /P>

スロー ドリップ理論またはミトコンドリア後期理論と呼ばれることもある 2 番目のオプションは、ミトコンドリアが搭載されたときに、原始真核生物が複雑な機能、特に獲物を飲み込む能力をすでに発達させ始めていたと仮定しています。この理論によれば、最も古い真核生物にはミトコンドリアが欠けているはずです。

証拠はかつてこのオプションを指しているように見えました.たとえば、ジアルジアなどの多くの寄生虫にはミトコンドリアがありません。科学者たちは当初、これらの寄生虫にはオルガネラがないと考えていました。しかし近年、これらの生物は進化の過程でミトコンドリアを失っただけであることが明らかになりました.

ロキの発見は、2 つのグループの間の一種の妥協点を開きます。これは、ミトコンドリアの作成の最初のステップであるバクテリアを飲み込むための機構を持っている可能性のある比較的単純な細胞です。 Loki には、動的で形状が変化する細胞骨格に関連する遺伝子を含む、真核生物に通常見られる多くの遺伝子があります。真核生物では、これらの遺伝子によって細胞膜の形状が変化します。たとえば、アメーバは、獲物を移動したり飲み込んだりするために形を変えます。 「これは非常に真核生物特有のプロセスであり、古細菌で初めて発見されました」と Ettema 氏は述べています。 「これはとてもエキサイティングでした。」

「細胞骨格などのこれらの特徴を備えた古細菌は、[ミトコンドリア初期] シナリオを以前よりも確かに受け入れやすくします」と Koonin 氏は述べています。

目に見えない光景

Loki の発見には、1 つの大きな注意点があります。これまでのところ、誰も見たことがありません。科学者はまだ実験室でそれらを育てることができません。彼らにできることは、自分の DNA を分離し、その機能を推測することだけです。 「明確にする必要があります。それがどのように見えるかはわかりません」とアーチボルドは言いました。 「彼らの生物学は、ゲノムデータからつなぎ合わされています。」

微生物学の世界では、それは珍しいことではありません。微生物の大部分は必要に応じて増殖させることができないため、科学者は DNA を分析して比較することで微生物を研究しています。 「それが私たちが微生物学で行っていることであり、ゲノムから予測を行っています」と Schleper 氏は述べています。 「[ロキ] は確かに膜に非常に特別なものを持っています。」

その特別な何かの正確な性質はまだ不明です。アーチボルドらは、ロキは他の生物の膜リモデリングに関与する遺伝子を持っているが、それらがロキで同じ機能を果たしていることを確実に知っている人は誰もいないと警告している.おそらく、これらのより単純な生物では何か違うことをしており、膜のリモデリングは後に進化した.

レーン氏は、ロキが他の微生物を飲み込むことができると確信していない.ミトコンドリアがなければ、単に力が足りない. 「大きくなり、動き回り、細胞を飲み込んで消化するには、多くのエネルギーが必要です」とレーンは言いました。現代の細胞では、そのプロセスには 1,000 の遺伝子が関与しており、そのすべてを生産するのに多くのエネルギーが必要である、と彼は述べた.

Schleper と Ettema は研究室で Loki を育てるために懸命に働いていますが、それを培養することは非常に困難であることがわかりました。元のサンプルは、酸素が少なく、生物の代謝が非常に遅い深海から発掘されました。そこに住む生き物は10年に1回しか分裂しないという推定もあります。さらに、これらの堆積物に生息するロキは、海底の極限環境に適応しているため、海面に持ち出すことはおそらく死の宣告です.彼らを生き残らせるには、「非常に慎重で幸運でなければなりません」とエッテマは言いました。

幸いなことに、研究者たちは、ロキがあまり異星人の環境に生息していないことも発見しており、それらのソースからのサンプルが成長しやすいことを証明することを期待しています. Schleper と Ettema は、最初の発見以来、Loki が予想以上に一般的であることを発見しました。その後、温泉、浅い海底堆積物、川、さらには永久凍土など、多くの環境で新しい亜種を特定しました。 「イースターエッグのようなものです」とエッテマは言いました。 「何が見つかるかはわかりませんが、すべての新しいゲノムには何かが含まれています。」

ロキのサンプルを見つける際の課題の 1 つは、その数が少ない傾向にあることです。これは、地元の微生物生態系ではまれな数字です。それが、彼らが長い間検出されなかった理由を説明するかもしれません。さらに、シュレパー氏は、微生物の多様性を調査するために使用される方法は、一般的に古細菌の検出にはあまり適していないと述べています.

Ettema は、研究室で Loki を育てる方法を見つけ出すだろうと楽観的です。しかし彼は、生きたロキを観察しても、先祖の能力に関する疑問が解決しない可能性があると警告している.現在のロキは、真核生物を生み出した古代のバージョンとは大きく異なる可能性があります。現代のロキがバクテリアを飲み込むことができたとしても、古代のロキがそうであったことを証明するものではありません.進化するのに 20 億年かかりました。これは、単細胞生物から人間が出現するまでの時間の長さです。 「人々は、それを培養することでわかることを少し誇張しています」とエッテマは言いました.

ロキが私たちの太古の起源の謎を解かなかったとしても、その発見は、どれだけの生物学的多様性が未だに解明されていないかを示しています。おそらく次の発見は、ミトコンドリアを保有した歴史のない真核生物になるでしょう。あるいは、共生細菌が生息している兆候を示すアーケイオンになるかもしれません。 「これは、実験室では増殖できない生物のゲノムを配列決定することで、どれだけの新奇性を発見できるかを強調しています」とクーニンは言いました。 「さらに多くのことが発見される可能性があります。生物学の理解にとって劇的で重要な発見です。」