Микробиологи культивировали ранее не известный вид Асгард-архей из гиперсоленых микробных матов и впервые получили трехмерные снимки их непосредственного физического взаимодействия с симбиотическими бактериями. Исследование томограмм выявило встречное структурное изменение: археи создают сложную структуру из нитей и отпочковывающихся мембранных пузырьков, а бактерии формируют к этой структуре прямые белковые нанотрубки. Полученные изображения подтверждают предположение о том, что эукариотические клетки образовались вследствие близкого физического и метаболического соединения двух микроорганизмов.
Проблема возникновения эукариот, то есть организмов со сложной клеточной структурой, таких как человек, остается одной из ключевых в эволюционной биологии. Предполагается, что примерно два миллиарда лет назад древняя архея начала симбиотические отношения с бактерией, которая впоследствии трансформировалась в митохондрию. Современные асгардиевые археи являются самыми близкими ныне живущими родственниками этого предка. Ученые ранее обнаруживали у них гены, отвечающие за эукариотический цитоскелет, а также длинные выросты, что указывает на их связь с бактериями-партнерами. Однако культивирование этих микроорганизмов в чистой культуре представляет собой сложную задачу. Поэтому биологи до настоящего времени не наблюдали непосредственного взаимодействия между асгардиевыми археями и бактериями.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Current Biology, для изучения были отобраны образцы из гиперсоленых микробных матов залива Шарк, расположенного в Западной Австралии. Данная экосистема представляет собой современный аналог микробных сообществ, существовавших на Земле более двух миллиардов лет назад. В течение пяти лет исследователи культивировали микроорганизмы в условиях отсутствия кислорода, постепенно увеличивая долю целевой археи в культуре до 89 процентов.
Новый род и вид получил название Nerearchaeum marumarumayae (видовое название было взято из языка коренного австралийского племени малгана и переводится как «древний дом»). Неотъемлемой частью его культуры являлась сульфатредуцирующая бактерия Stromatodesulfovibrio nilemahensis. Для изучения строения микроорганизмов биологи использовали криоэлектронную томографию, предварительно заморозив их. Этот подход позволил создать трехмерные модели клеток с разрешением до нанометрового уровня. Одновременно ученые определили полные геномы обоих организмов и использовали алгоритмы искусственного интеллекта (AlphaFold 3) для прогнозирования структуры их белков.
Обмен веществами между клетками архей и бактерий происходит в обоих направлениях. Этот процесс начинается с круглого тела археи Nerearchaeum отходят тонкие белковые нити (фибриллы), на которых гроздьями висят цепочки мембранных пузырьков (везикул). В геноме археи биологи нашли белки комплекса ESCRT, отвечающие за деформацию мембран, — гомологи тех же самых белков, что работают в клетках человека. Таким образом, архея активно пузырит свою оболочку и многократно увеличивает площадь поверхности.
Бактерия, действующая в качестве партнера, ведет себя иным образом. Исследование трехмерной модели выявило, что бактерия создает прямые межклеточные нанотрубки диаметром 8,1 нанометра. В основании каждой из этих трубок в бактериальной мембране расположен специализированный белковый комплекс. Бактериальные нанотрубки пронизывают межклеточное пространство и соединяются с мембраной археи или присоединяются к ее везикулярным структурам, формируя прочные коммуникационные каналы.
Изучение геномов позволило установить причину этого сложного слияния — синтрофию, то есть взаимовыгодный обмен. Архея расщепляет сахара, аминокислоты и липиды, производя водород, ацетат и сульфит. Бактерия поглощает эти вещества через межклеточные каналы для получения энергии, а взамен обеспечивает архею витаминами и аминокислотами, которые она не может производить сама.
Изучение структуры археи с помощью микроскопа показало наличие обширной системы цитоплазматических трубок и уникальных белковых нанокапсул. Внутри этих капсул микроорганизм хранит токсичное железо, обеспечивая защиту своей ДНК от окислительного повреждения. Кроме того, на внешней поверхности археи обнаружены крупные белки-адгезины, выполняющие функцию своеобразных «фиксаторов», обеспечивающих сцепление в плотной биопленке.
Противоположное расположение мембранных пузырьков и соединительных нанотрубок ярко иллюстрирует архитектуру межвидового симбиоза в ранние этапы эволюции. Возникновение эукариотической клетки не было обусловлено стремительным поглощением одной бактерии другой. Археи, известные как асгард-археи, сформировали разветвленную мембранную систему, благодаря которой бактерии-симбионты смогли создать каналы для транспортировки веществ в условиях плотных древних микробных сообществ.