氢分子医学分享 http://blog.sciencenet.cn/u/孙学军 对氢气生物学效应感兴趣者。可合作研究:sunxjk@hotmail.com 微信 hydrogen_thinker

博文

微生物领域重大进展,真核细胞进化研究将步入快车道!

已有 1532 次阅读 2020-1-16 12:12 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

复杂生物包括植物、动物和真菌都属于真核生物,在生物分类中有两个域属于细菌和古菌。区别于原核细胞的真核细胞的特点,主要是包含典型膜型细胞器,如细胞核和线粒体等。

按照进化论的看法,真核生物是从原核生物进化来的,比较公认的是认为真核细胞是两种原核细胞融合形成,一种古菌和另外一种需氧细菌。但是这只属于没有被证实的假说,因为我们无法重复和确定这个进化过程。最近《自然》报道在实验室内培养了一种古菌,这可能给研究真核细胞进化带来了工具和新希望。

这是一种和真核细胞亲缘关系非常接近的古菌,被命名为仙宫古菌。真核细胞被认为是古菌和线粒体祖先菌融合形成的共生体,α-变形菌是一种细菌,后来逐渐演化为专门产生能量的线粒体,并寄生在古菌体内。但是人们对这种共生过程的细节了解比较少,基因进化分析对理解古菌的进化路线提供了比较好的线索,特别是发现古菌基因组含有转录因子,DNA转录和复制等和真核细胞接近的基因序列。α-变形菌是被一种善意的古菌吞噬,还是被一种已经拥有了部分真核细胞特征的古菌捕获,并没有化石证据。只有古菌进化树研究给这一领域提供了更好方向。

2015年,基因组分析发现洛基古菌是真核细胞的最直系古菌,或者说这是目前发现的和真核细胞亲缘关系最近的当前还生活着的古菌,推测真核细胞就是从这类古菌进化来。可以理解为洛基古菌地球复杂生命的太祖先。随后根据基因组研究发现了更多这类古菌,并利用神仙名字给这些进行了命名,如雷神托尔Thor, 主神奥丁Odin, 天国守护神海姆达尔Heimdall 和 赫尔Hel。后来把这些古菌作为一个群体归类为仙宫古菌。

有意思的是,所有这些古菌都拥有大量真核标签基因(ESPs),这些基因通常只出现在真核细胞基因组内。根据基因分析,其中海姆达尔古菌是最接近真核细胞的古菌。但是所有这些仙宫古菌的代谢特征都是通过DNA序列进行的推测,但并没有其他更直接的生化代谢实验证据。主要是没有在实验室内成功培养出这些细菌。

日本科学家Imachi等报道了实验室培养仙宫古菌,2006年他们从海平面以下2533米(8,310英尺)的南海海槽中的海底采集的沉积物岩芯,经过12年的培育和研究,今年他们终于培育出名为Prometheoarchaeum syntrophicum的古菌。

2010年,科学家在对北冰洋海底采集的沉积物岩心进行DNA分析时,发现了一些令人惊讶的东西。一种以前未知的属于古细菌的微生物,它的基因组特征似乎与真核生物有关。他们在格陵兰岛附近的Loki's Castle热液喷口发现该生物,并将其命名为Lokiarchaeota(以下简称Loki)(洛基古菌)。但人们对这种微生物是否真实存在仍然存在疑惑。最新日本学者的研究给这一发现提供了明确的证据。

显然2006年日本学者研究时,还没有洛基古菌的概念。他们开始的研究目的是找到能分解甲烷的微生物。显然只是为了把这种微生物培养出来。

怎么培养?开始的时候思路就是尽量模拟自然生长条件。日本团队采用连续流生物反应器系统中,温度保持在10摄氏度,维持低氧和低营养,不断注入甲烷模拟深海甲烷排放,培育了5年样品。在这个条件下,微生物缓慢地成倍增长着。

然后给生物反应器样品放入含有营养物的试管内培养,以保持其生长,在试管中培养了1年,终于获得了非常微弱的洛基古菌菌落。随后多年,研究团队对培养物进行隔离、培养和扩增这个缓慢分化的菌落。逐渐获得了含有高比例古菌的培养物。最后发现,真正理想的古菌培养条件不是自然海底环境,而是20度、富含氨基酸、小肽和婴儿奶粉这样的条件。

d41586-020-00039-y_17562100.png

a仙宫古菌看起来如神经细胞!

论文这样描述:“在古菌极低生长速度和细胞产量下,重复亚培养丰富了古菌的菌群。培养物一直有30-60天滞后期,需要3个月才能完全生长。改变培养温度,改变培养基成分和浓度对滞后期、生长速率或细胞产量都没有明显的改善。”

这个实验持续了12年。研究人员将这种微生物命名为Prometheoarchaeum syntrophicum。

他们已经有了一些有趣的发现。第一种观点认为,Prometheoarchaeum只有在一种或两种微生物存在情况下才会生长,这两种微生物分别是古甲烷菌和氟脱硫弧菌。当Prometheoarchaeum将氨基酸分解成食物时,它会产生氢气,而其他微生物则以氢为食。实验表明,如果这种古菌周围存在氢气,能显著阻碍Prometheoarchaeum的生长速度,这表明这种古菌和其它生物存在着一种共生关系。共生菌能帮助古菌消除氢气的不利影响。这种古菌拥有不寻常形状,电子显微镜观察时,它体内发芽长出一个长长触角,它的伙伴微生物就依附在这个长长触角周围。

研究人员假设,当大气中氧气开始增加时(大氧化事件),厌恶氧气的古菌必须仰仗能消耗氧气的细菌帮忙,才能避免被氧气毒死,增加其生存机会,这一被迫的生存技巧没想到让它们走向真核的波澜壮阔进化道路。

当然Prometheoarchaeum可能和几十亿年前的古菌不一样,确定这种过程还需要更多研究。但这一研究给这个领域带来了快速发展的基本工具,给这些可敬的能12年耐心培养这些古菌的勇士科学家点赞。

这个研究发现,作为地球复杂生物祖先的古菌,不仅厌恶氧气,而且反感氢气,因为祖先古菌能代谢产生氢气。伴随这种古菌的生命伴侣菌,不仅消耗氧气,而且帮助去除氢气,成为维护其生存的最佳搭档。这暗示什么,进化为真核细胞后,这些伴侣菌已经成为真核细胞的一部分,不在惧怕氧气,反而成了无氧不生的好氧生物。那么氢气本来是古菌的代谢废物,原来也是清除而后快,有了生命伴侣的真核细胞,可能会把氢气纳入其生存调节剂的范畴。

Imachi, H. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-019-1916-6 (2020).




http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-1214478.html

上一篇:意识的神经振荡基础
下一篇:一种阻断病毒感染的思路

1 徐向田

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-2-22 04:23

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部