Іспанські науковці за допомогою суперкомп’ютера проаналізували геноми сучасних організмів з ядром, щоб відтворити, як еволюціонували найдавніші спільні предки рослин, тварин, грибів і найпростіших. Як виявилося, в ході еволюції до появи ядра й інших внутрішніх структур клітин долучилися різні бактерії, а також — гігантські віруси. Це означає, що процес еволюції організмів з ядром відбувався значно більш поступово, ніж вважали досі. Дослідження опублікували в журналі Nature.
Реконструкція останнього спільного предка організмів з ядром, який мав, зокрема, мітохондрії (13), які походили від поглинутих альфапротеобактерій. Richards et al. / PLoS Biology, 2024
Що знали про появу організмів з ядром раніше?
Біологи сходяться на тому, що найдавніші організми з ядром виникли приблизно півтора-два мільярди років тому, тоді як прокаріоти, або без’ядерні організми — понад три мільярди років тому. Припускають, що в щільних плівках із різноманітних прокаріотів з’явилися симбіотичні зв’язки між археями, подібними на бактерії організмами, що стали основою перших ядерних клітин, і альфапротеобактеріями, які згодом перетворилися на мітохондрії.
Але сучасні евкаріоти, тобто ядерні організми, поділяються на групи за тим, яку внутрішню будову мають їхні мітохондрії, що натякає на можливість внеску й інших бактерій в їхнє формування. На додачу до цього, не всі білки сучасних організмів можна віднести до таких, що походять від давніх архей або альфапротеобактерій. Тому з’ясувати, які ще організми брали участь в утворенні перших одноклітинних, а зрештою й багатоклітинних організмів з ядром, вирішили науковці Барселонського центру суперкомп’ютерів та Інституту біомедичних досліджень у Барселоні.
Реконструкція еволюційного дерева живого. LUCA, останній спільний предок усього живого, дав початок бактеріям та археям, симбіоз яких призвів до появи LECA — останнього спільного предка евкаріотів. Casey McGrath
Що вдалося дізнатися про еволюцію ядерних організмів завдяки суперкомп’ютеру?
Науковці використали суперкомп’ютер MareNostrum, щоб проаналізувати дані про геноми сучасних організмів. З його допомогою дослідники реконструювали протеоми, тобто сукупності усіх білків клітин, цих організмів і виявили серед них групи білків, які, найімовірніше, були в найдавнішого спільного предка всіх організмів із ядром. У пошуках таких груп білків науковці спиралися на те, щоб ці білки зустрічалися щонайменше у п’яти видів із принаймні трьох з дев’яти супергруп ядерних організмів.
Водночас дослідники відсіювали слабкі сигнали в даних, які за силою поступалися тим, які вже дозволили визначити походження клітин від архей та альфапротеобактерій. Так науковці з’ясували, що до появи перших організмів з ядром долучилися ще щонайменше дві групи бактерій: Myxococcota та Planctomycetota. Бактерії Myxococcota, зокрема, привнесли гени, пов’язані з обміном ліпідів і формуванням мембран клітин. А бактерії Planctomycetota мають одну з найскладніших внутрішніх будов серед прокаріотів, із мембраною навколо генетичного матеріалу, подібну на ядро евкаріотів. Ці дві групи привнесли приблизно 3,9 і 2,2 відсотка генів сучасних організмів із ядром.
Окрім цього, науковці реконструювали й час, коли ці дві групи бактерій стали частиною спільного предка евкаріотів. Як з’ясувалося, бактерії Planctomycetota долучилися до його появи ще до того, як з’явилися перші мітохондрії, імовірно, забезпечивши складну структуру цим клітинам. Пізніше, майже одночасно, відбувся симбіоз з альфапротеобактеріями та Myxococcota, що вже призвело до появи мітохондрій і змін в обміні речовин. На додачу до цього, понад три відсотки протеому найдавнішого спільного предка евкаріотів складали білки гігантських вірусів типу Nucleocytoviricota. Імовірно, вони пришвидшили горизонтальне перенесення генів між різними прокаріотами, що в результаті призвело до появи організмів із ядром.
Що це змінює в розумінні еволюції організмів із ядром?
Хоча науковці не відкинули ідею, що симбіоз, який призвів до появи мітохондрій, був важливим для появи організмів із ядром, вони показали, що формування таких організмів почалося набагато раніше за попередні оцінки. Окрім цього, вони визначили роль у цьому вірусів, які й зараз продовжують привносити нові гени в організми своїх хазяїв. Усе це наближає дослідників до розуміння того, як сформувалося складне й різноманітне життя на Землі, а також — що необхідно для його формування на інших планетах.
Які відкриття біологів змінювали уявлення про еволюцію організмів
🤔 Попри те, що поява організмів з ядром була пов’язана саме з появою мітохондрій, науковці знайшли ядерний організм, який живе без них.
🧬 А після смерті культури інфузорій науковці знайшли одноклітинний організм, який містить ген, що вважали зниклим із мітохондрій усіх евкаріотичних організмів.
🦠 Хоча віруси вважають нездатними самостійно виробляти енергію чи синтезувати білки, науковці виявили організми, що генерують енергію та змушують клітину-хазяїна виробляти лише потрібні їм білки.
