Эукариоты освоили кислородное дыхание ещё до симбиоза с бактериями

Новости МирТесен

Согласно результатам исследования, проведенного международной группой биологов, асгард-археи – наиболее близкие к эукариотам микроорганизмы – имеют генетические механизмы, необходимые для осуществления кислородного дыхания. Этот факт противоречит ранее существовавшим представлениям о том, что общие предки растений, грибов и животных были лишены способности к использованию кислорода и существовали в условиях его отсутствия. Предполагается, что археи приобрели способность использовать кислород еще до образования симбиотических отношений с бактериями, которые впоследствии эволюционировали в митохондрии.

Происхождение эукариотической клетки до сих пор представляет собой одну из ключевых нерешенных задач в биологии. На протяжении длительного времени основной теорией было предположение, что анаэробная архея, существовавшая в среде, лишенной кислорода, включила в себя аэробную бактерию, которая впоследствии трансформировалась в митохондрию.

Предполагается, что именно этот метаболический путь предоставил предкам эукариот энергию, необходимую для формирования цитоскелета и развития сложной системы внутриклеточного транспорта. Недостаток информации о диких асгард-археях, однако, препятствовал исследованию метаболических возможностей этих микроорганизмов до возникновения симбиотических отношений.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, проанализировали образцы морских осадков, взятые из залива Бохайвань, расположенного у берегов Китая, и из глубоководного бассейна Гуаймас в Калифорнийском заливе. Специалисты обработали 10 терабайт данных секвенирования и реконструировали 869 геномов асгард-архей, полученных методом метагеномного анализа. Это почти в два раза больше, чем весь ранее доступный объем информации об этой группе организмов. Ученые сосредоточили свое внимание на классе Heimdallarchaeia и отряду Hodarchaeales, которые рассматриваются как ближайшие родственники современных эукариот.

Для выяснения функций выявленных белков использовали нейросеть AlphaFold2. Она позволила предсказать трехмерную структуру ферментов и подтвердила их роль в энергетических процессах. Кроме того, биологи провели сопоставление генетических характеристик микроорганизмов с экологическими условиями их среды обитания, чтобы установить, в каких условиях наиболее комфортно современным потомкам архейного предка.

Анализ показал, что у группы Hodarchaeales присутствует полный набор генов для работы дыхательной цепи. Эти микробы способны самостоятельно синтезировать гем и нейтрализовать токсичные побочные продукты дыхания. Также в геномах нашли регуляторный белок CoxD, который у современных эукариот управляет сборкой дыхательных комплексов.

Ученые установили, что современные асгард-археи обитают не только в лишенных кислорода глубоководных трещинах, но и в обычных прибрежных отложениях с небольшим содержанием кислорода. Анализ структуры их мембранных гидрогеназ выявил наличие субъединиц, способствующих более эффективному синтезу АТФ. Молекулярные модели предполагают, что адаптация к кислороду в этой группе организмов могла произойти более чем за 50 миллионов лет до кислородной катастрофы, когда увеличение концентрации O2 в атмосфере стало результатом жизнедеятельности цианобактерий.

Полученные данные свидетельствуют о том, что архея, давшая начало эукариотам, обладала более развитым и самодостаточным метаболизмом, чем это допускали первоначальные представления об эукариогенезе. Предполагается, что способность к кислородному дыханию возникла у предков эукариот еще до установления симбиотических отношений. Значительное увеличение энергетического потенциала, связанное с использованием кислорода, стимулировало раннюю эволюционную сложность клетки, а последующее приобретение митохондрии лишь расширило уже имеющиеся аэробные функции организма.