Археи

Археи — прокариотные микроорганизмы, у которых нет клеточного ядра. Все живые существа подразделяются на три домена: эукариоты, бактерии и археи. Один домен — ядерные организмы. Это все, что мы видим невооруженным глазом. Другие два домена — это просто устроенные мельчайшие существа, которые разошлись на две эволюционные линии так же давно, как эукариоты отделились от прокариот. Известно об этом разделении стало недавно, примерно 50 лет назад. Про сами археи ученые знали. Лично я свою кандидатскую диссертацию писала по метаногенным археям, но тогда они назывались бактериями, потому что внешне они неотличимы, и не существовало других способов для исследования их филогении, то есть происхождения.

Открытие этих эволюционных линий произошло в конце 1970-х годов, когда американский исследователь Карл Вёзе придумал, каким образом можно упорядочить систематику прокариот, сделав ее филогенетической. Не просто разложить их по полочкам, но и учесть их родство, потому что систематика высших организмов филогенетическая. С крупными организмами мы можем нашим глазом судить, кто более или менее сложный. С такими мельчайшими микроорганизмами, как прокариоты, все иначе, потому что мы не знаем, какому признаку придать какой вес. Для нас какой-то фактор может быть важен, а для них нет. Карл Вёзе придумал систему, которая не связана с внешними признаками — то, что в науке называется фенотипом, — а основана на генетических показателях. Вёзе начал сравнивать консервативные участки генома. Чем менее похож этот ген, тем больше в нем произошло спонтанных мутаций, следовательно, раньше разошлись два организма. Это был ген 16S рибосомальной РНК, который есть у всех, но при этом не меняется под влиянием внешней среды, — ген домашнего хозяйства (англ. housekeeping gene). В итоге, когда Карл Вёзе начал сравнивать разные организмы, он обнаружил, что есть группа, которая далеко отстоит от бактерий. Сначала он назвал ее «архебактерии», потом их переделали в «археи», чтобы бактерии там даже рядом не стояли, потому что они отличаются. Археи так долго не выделяли в отдельную группу и считали бактериями, потому что они так же просто устроены.

Археи разные внутри своей группы, так же как бактерии бывают разные между собой. Несмотря на некоторые сходства, у них есть важные структурные и биохимические отличия, у них разные метаболические процессы, есть реакции, которые могут осуществлять только археи, — например, образование метана из углекислоты и водорода, но это свойство было у них давно. Предполагается, что метаногены были первыми организмами, которые появились на Земле, потому что для жизни им нужны только водород и углекислый газ. У бактерий также имеется много свойств, которых нет у архей. Эти две эволюционные линии развивались по-разному, но где-то могли скрещиваться. Например, окисление аммония — свойство, которое есть и у бактерий, и у архей, но ферменты и механизмы у них участвуют разные.

Некоторые археи уже были известны до их разделения с бактериями. Например, метаногенные археи, которыми лично я занималась в аспирантуре. Также были известны галофильные археи — микроорганизмы, которые растут при высокой концентрации соли. Раньше они назывались «галобактерии» (лат. Halobacterium) — название сегодня сохранилось, но на самом деле это археи. Внешне они такие же просто организованные палочки и кокки, со жгутиками и без них. Оказалось, что в базовых признаках у них большие различия с бактериями, потому что их аппарат синтеза белка такой же, как у эукариот. У них нет клеточной стенки, поэтому на них не действуют антибиотики. Этот факт помог микробиологам, потому что, добавляя антибиотик, мы можем получить чистую культуру архей. Существуют и другие признаки, скажем разные липиды и мембраны. Все это базовые признаки, которые давно эволюционировали и уже не менялись. Есть и общие свойства у архей с бактериями. Они даже способны друг другу передавать гены, но различия в базовых механизмах укрепили теорию Вёзе, потому что изначально многие приняли ее критично, но со временем обнаруживались все новые и новые факты, которые ее поддерживали. 

Распространение теории Вёзе привело к тому, что микробиологи принялись искать новых архей и находили их все больше и больше. Выделили первых гипертермофилов — микроорганизмы, которые растут при очень высоких температурах. Это повлекло за собой исследование их биополимеров: почему они такие стабильные, почему выдерживают условия, которые белки других живых организмов не выдерживают? Среди ацидофилов тоже есть археи. После исследования Вёзе и массивного удара микробиологов по этой группе археи оказались эксквизитными микроорганизмами, которые занимают местообитания с очень жесткими условиями: это или температура, или pH — анаэробные условия. 

Система Вёзе имела еще одно следствие. Оказалось, что ген 16S рРНК можно извлекать из среды вместе с ДНК, затем выделять гены 16S рРНК, разделять их и анализировать или вместе секвенировать и смотреть. Одновременно с исследованиями этого гена оказалось, что мы знаем малую часть микроорганизмов в культурах, которые реально существуют в природе, поэтому большое количество архей остается для нас абсолютно неизвестными. Такие археи живут в обычных условиях и активно участвуют в биогеохимических процессах, влияют на состояние нашей планеты. Сейчас главная цель ученых — понять, что это за микроорганизмы и как они ведут себя в природе.

Одна из таких групп, которые обитают в обычной среде, — это массовые археи в широко распространенных местообитаниях, в холодных океанических водах. Американский ученый Эд Делонг изучал состав морского снега, который плавает в толще морской воды. Оказалось, что снег состоит из сгустков микроорганизмов — архей. Сначала Делонг доказал, что это новая линия архей (лат. Thaumarchaeota), а затем выделил этот микроорганизм в чистую культуру. Исследования в чистой культуре показали, что эти археи участвуют в важном биогеохимическом процессе — окислении аммония. Аммоний образуется в результате разложения белков, а Thaumarchaeota его окисляют до нитрита, потом другие организмы окисляют нитрит до нитрата, и так происходит цикл аммония.

Перед заключением важно сказать о происхождения эукариот — ядерных организмов, к которым мы все относимся. Известно, что у них клетка устроена более сложно, чем у прокариот. Дело не только в ядре. Это также связано с наличием разных органелл. Например, митохондрии — бактериальные клетки, которые были ассимилированы архейной клеткой и стали ее обязательным компонентом, потому что у митохондрий есть свой геном, они размножаются отдельно от общего деления клетки. Сначала археи нашли чисто биоинформатическим путем, без культивирования они были найдены в донных морских осадках. Затем установили, что в их геноме присутствуют многие гены, свойственные эукариотам, но не все ученые были согласны с этим. Они решили, что получился химерный геном, потому что несколько кусков было склеено из разных. В 2019 году опубликовали статью японского ученого Кена Такаи, который получил культуру этих архей (лат. Lokiarchaeota). У них есть и другие названия. Такаи растил эту культуру десять лет. Он показал, как происходил симбиоз, потому что эта архея не может расти без бактерии: они связаны метаболически. Эта архея является предком эукариоты, она выращивает длинные щупальца и ими обнимает клетку бактерии. Такой парой они живут и растут. Так произошло симбиотическое слияние археи и бактерии, которое и дало нам эукариоты.

С одной стороны, это торжество классической микробиологии, потому что ученым удалось вырастить то, что было получено исключительно биоинформатическими методами. Этот микроб существовал виртуально, как фантом, и затем его удалось получить. В итоге мы знаем, что эукариоты произошли из архей. Это одно из важнейших научных событий 2019 года. Много архей, о которых нет времени рассказать, были также обнаружены биоинформатическими способами, ученые исследовали их численность в разных местообитаниях, но в руках их никто не держал. Это будущая задача для микробиологов — попробовать их выделить. Возможно, сложность этого процесса в том, что они медленно растут. В лабораторных условиях, когда мы ограничены во времени и работаем на гранты, нужно через два года уже представить статьи. В нашем отделе, в ФИЦ Биотехнологии РАН, где я работаю, такие работы ведутся с медленно растущими культурами, содержащими археи. Возможно, мы тоже сможем что-то вырастить.