Microbul Asgard descoperit recent ar putea explica originile vieții complexe pe Pământ

Stromatoliții din Shark Bay (Golful Rechinilor), Australia, nu sunt doar formațiuni stâncoase banale, ci adăpostesc răspunsul la una dintre cele mai mari enigme ale biologiei: originea vieții complexe pe Pământ. Izolarea în premieră a unei arheea din grupul Asgard în interiorul acestor „fosile vii” demonstrează modul în care primele microorganisme au colaborat, declanșând evoluția.

O colaborare recentă între cercetători de la Universitatea din New South Wales (UNSW), Universitatea de Tehnologie din Sydney (UTS) și Universitatea din Melbourne (UM) a scos la lumină o arhee nedescoperită până acum, care trăiește în strânsă asociere cu o bacterie, chiar în interiorul uneia dintre aceste „fosile vii”. Este o demonstrație fascinantă de cooperare celulară, genul de parteneriat care ar fi putut oferi o cale fundamentală pentru însăși evoluția formelor de viață complexe.

Practic, stromatoliții nu sunt doar un leagăn primitiv pentru primele interacțiuni dintre microbi, ci un model viu pentru a înțelege cum organismele eucariote complexe ar fi putut apărea din aceste alianțe, într-o progresie evolutivă întinsă pe un termen extrem de lung.

Dacă această idee vi se pare îndrăzneață, trebuie să știți că ea se bazează pe o enigmă științifică veche de secole. Se estimează că, în urmă cu aproximativ 2,3 – 2,1 miliarde de ani, primele celule eucariote au apărut datorită unei apropieri intime între o celulă arheală și o bacterie. În timp, pe măsură ce partenerul bacterian s-a transformat într-un organit absolut esențial – mitocondria –, această cooperare a deschis calea către dezvoltarea „uzinelor de energie” ale celulelor noastre.

Această tranziție fundamentală stă la baza teoriei endosimbiotice – principiul conform căruia organismele multicelulare de astăzi există doar pentru că un microb străvechi a asimilat un altul, în loc să îl distrugă.

Cum a apărut prima celulă eucariotă? Rolul microbului Asgard

Încă de la descoperirea arheelor Asgard – adesea descrise ca fiind rudele cele mai apropiate ale strămoșului arheic al eucariotelor –, oamenii de știință au suspectat că partenerul original al primei celule eucariote făcea parte din acest grup. Această ipoteză este susținută de diverse analize moleculare și de secvențiere.

Cercetătorii care au investigat habitatul microbian unic din Hamelin Pool, situat în Shark Bay (un sit din Patrimoniul Mondial, considerat adesea un model perfect pentru Pământul primitiv), au făcut o descoperire uimitoare. Analizând probe din straturile subterane ale vechilor covorașe microbiene, au găsit arheea Asgard Nerearchaeum marumarumayae.

Aceste covorașe din Hamelin Pool sunt structuri groase, stratificate, în care microorganismele împart compuși biologici pentru procesarea metabolică. Pentru a supraviețui, ele se adaptează constant la elementele schimbătoare ale microbiomului, inclusiv la salinitatea extremă și la scăderile periodice ale nivelului de oxigen dizolvat.

Povestea izolării acestui microb este în sine o lecție despre interdependență. Potrivit cercetătorului John Burns, echipa a descoperit că Nerearchaeum marumarumayae creștea mereu în laborator alături de o bacterie reducătoare de sulf. Faptul că nu au reușit să cultive arheea în stare pură timp de câțiva ani sugerează o dependență reciprocă absolută pentru supraviețuire.

Abia după cinci ani de experimente, prin optimizarea și explorarea unor noi organisme potențiale, proiectul a avansat decisiv. Folosind o tehnică avansată de criotomografie electronică, echipa a obținut imagini 3D de înaltă rezoluție ale structurilor interne ale N. marumarumayae la o scară minusculă. Așa au reușit să vadă o acumulare de proiecții cilindrice subțiri – un fel de „tuburi” – care conectează fizic arheea de partenerul ei reducător de sulf.

Dovezile vizuale ale simbiozei și anatomia arheei Asgard

Acest studiu a oferit un model funcțional al modului în care arheele și bacteriile formau parteneriate timpurii, consolidând ceea ce știm despre procesele evolutive ale vieții și despre pașii inițiali către complexitatea celulară. Faptul că echipa a utilizat criotomografia electronică este crucial: aceasta oferă dovada fizică, nealterată, a modului în care aceste tuburi intercelulare conectează fizic arheea de bacteria parteneră, transformând o simplă ipoteză genomică într-o certitudine vizuală.

Și, ca să fie clar, acest microorganism nu este doar o bulă microscopică banală. Celulele au o formă coccoidală (sferică), dar prezintă o varietate de extensii morfologice: grupuri de muguri veziculari, citoplasmă tubulară mare și fire de fibră externă. Uneori, celulele arată ca niște unități articulate, unite între ele prin structuri filamentoase.

Chiar și suprafața exterioară este atipică pentru o arhee obișnuită, având un strat exterior neregulat, format din globule sferice. La interior, cercetătorii au găsit alte bizarerii: structuri asemănătoare proteinelor de încapsulare și structuri de tip termosom, folosite pentru reglarea răspunsului la temperatură.

Genomica ne spune o poveste la fel de complexă. ADN-ul acestor microbi codifică proteine pentru complexitatea suprafețelor celulare, asocierea membranelor și activitatea citoscheletului. Fascinant este că unele dintre acestea sunt omoloage cu proteinele pe care le găsim în celulele eucariote (inclusiv ale noastre), fiind implicate în funcționarea sistemului membranar intracelular și în transportul veziculelor. Pentru a înțelege mai bine aceste structuri, cercetătorii au apelat inclusiv la instrumente de inteligență artificială (învățare profundă) pentru a prezice caracteristicile proteinelor exprimate de microbi.

„Utilizarea metodelor de învățare profundă pentru a prezice profilul structural al proteinelor acestor microbi este captivantă, deoarece oferă o perspectivă asupra proceselor celulare primitive timpurii, care ulterior ar fi esențiale pentru evoluția speciilor de ordin superior”, a declarat profesoara asociată Kate Mitchie de la Universitatea din New South Wales.

Un model pentru o simbioză străveche

Pornind de la aceste arhitecturi celulare, echipa a propus o ipoteză privind modul în care funcționa acest parteneriat, ca un schimb vital:

• Arheele foloseau fermentația pentru a produce hidrogen, „hrănind” bacteriile.
• Bacteriile, la rândul lor, ofereau arheelor compuși esențiali (vitamine, aminoacizi, acizi grași).
• În plus, arheea oferea un spațiu celular protector, un pas critic spre formarea nucleului și a organitelor.

Deși aceasta este deocamdată o reconstituire bine fundamentată și nu o hartă completă – autorii subliniind că unele deducții genomice și proteomice necesită validare experimentală suplimentară –, simplul fapt că există o conexiune fizică între cele două este monumental.

„Aceasta este o etapă importantă în căutarea continuă a originilor formelor de viață eucariote. Această descoperire ne apropie cu câțiva pași de înțelegerea modului în care complexitatea celulelor eucariote a apărut din forme de viață microbiană mai simple.”, spune Debbie Ghosal, profesor asociat de microbiologie la Universitatea din Melbourne.

Mistere încă nerezolvate

Evident, în știință, fiecare răspuns aduce noi întrebări. Funcția exactă a acelor tuburi intercelulare care leagă cele două organisme nu este pe deplin înțeleasă. Autorii speculează că ele ar putea facilita o relație simbiotică – fie interacțiuni sintrofice (de hrănire reciprocă), fie de inhibare.

De asemenea, rămâne un mister funcția anumitor proteine citoscheletale codificate de arhee. Deși seamănă cu cele găsite la alte arhee Asgard, rolul lor exact în menținerea structurilor celulare observate nu este cunoscut. Mai mult, deoarece cercetătorii s-au bazat puternic pe culturi îmbogățite în laborator, există încă o limită de certitudine în privința specificității fiecărei interacțiuni.

Contextul dincolo de microscop: cultură și conservare

Studiul asupra acestor ecosisteme din Shark Bay sugerează că straturile microbiene actuale seamănă izbitor cu cele din Eonul Proterozoic – exact perioada în care au început să apară eucariotele. Ecosistemele de atunci erau dens populate și bazate pe cooperare, la fel ca aceste covorașe de azi.

După cum a spus profesorul asociat Iain Duggin de la Universitatea de Tehnologie din Sydney, „s-ar putea spune că ieșim încet din adâncurile oceanului”. Modul în care a fost numită arheea reflectă exact această profunzime. Numele Nerearchaeum marumarumayae se bazează pe o metaforă care onorează importanța descoperirii atât pentru știință, cât și pentru cultura poporului indigen Malgana. Echipa s-a consultat îndeaproape cu Kymberly Oakley, o expertă de frunte în limba malgana, și cu bătrânii comunității, pentru a se asigura că numele este folosit cu respect.

În cele din urmă, Shark Bay (Golful Rechinilor) nu este doar o gigantică eprubetă naturală. Este un peisaj cultural gestionat de proprietarii tradiționali de mii de ani, cu mult înainte ca termenul de „biologie modernă” să fie măcar inventat. Cercetătorul John Burns a subliniat că acest studiu demonstrează nu doar forța colaborării interdisciplinare, ci trage și un semnal de alarmă privind impactul schimbărilor climatice și al activității umane asupra acestor ecosisteme fragile.

Deși nu avem încă toate răspunsurile despre originea vieții complexe, această cercetare, publicată recent în prestigioasa revistă Current Biology, ne oferă un punct de referință incredibil. Având acum posibilitatea de a studia o asociație modernă arhee-bacterie într-un ecosistem similar cu cel al Pământului timpuriu, suntem cu un pas mai aproape de a descifra cum celulele simple au dat naștere plantelor, animalelor și, în cele din urmă, nouă. Condiția esențială este, însă, ca oamenii să protejeze medii precum Golful Rechinilor înainte de a le pierde pentru totdeauna.

Prin descifrarea secretelor acestui microb Asgard, ecosistemul din Hamelin Pool încetează să mai fie doar o eprubetă naturală și devine o hartă directă către originile vieții noastre complexe.

Studiul complet poate fi citit în jurnalul ştiinţific Current Biology.