《Nature》生物进化的“缺失环节”被研究人员培养出来了

维也纳大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员培育了“缺失的一环”微生物。

　　

是什么导致了地球上复杂生物的出现?这是生物学中一个重要的未解之谜。维也纳大学Christa Schleper团队和苏黎世联邦理工学院Martin Pilhofer团队的研究人员已经朝着解决这个问题迈出了一步。

地球上所有的生命形式被分为三个主要领域:真核生物、细菌和古细菌。真核生物包括动物、植物和真菌，它们的细胞通常要大得多，乍一看比细菌和古细菌的细胞更复杂。例如，真核生物的遗传物质被包装在细胞核中，细胞也有大量的其他隔室。真核细胞内的细胞形状和运输也基于广泛的细胞骨架。但是进化到如此复杂的真核细胞是如何发生的呢?

目前大多数模型都假设古生菌和细菌在真核生物的进化中发挥了核心作用。目前最流行的进化理论之一认为，真核生物的原始细胞(包括动物、植物和真菌)被认为是大约20亿年前由古细菌和细菌之间的密切共生进化而来的。2015年，对深海环境样本的基因组研究发现了所谓的阿斯加德古菌群（Asgard archaea），在生命树中，它是真核生物的近亲。2020年，一个日本小组从浓缩培养中发布了第一张“Asgard”细胞的图像。

复杂的细胞形状和广泛的细胞骨架

维也纳大学的Christa Schleper的工作小组现在第一次成功地在更高的浓度上培养出了这个小组的代表。它来自斯洛文尼亚皮兰海岸的海洋沉积物，但也是维也纳的居民，例如在多瑙河的岸边沉积物中。由于它生长到高细胞密度，这个代表可以被特别好地研究。维也纳大学古生菌工作组博士后、该研究的第一作者之一Thiago Rodrigues-Oliveira说:“在实验室的稳定培养中获得这种极其敏感的生物体非常棘手和费力。”

Martin Pilhofer团队的ETH研究人员使用现代冷冻电子显微镜拍摄了冲击冷冻细胞的照片。Martin Pilhofer解释说:“这种方法可以对细胞内部结构进行三维观察。”

“这些细胞由圆形细胞体组成，细胞延伸很薄，有时很长。这些触手状的结构有时甚至似乎连接着不同的细胞体，”Florian Wollweber说，他花了几个月的时间在显微镜下追踪细胞。这些细胞还含有广泛的肌动蛋白丝网络，被认为是真核细胞所特有的。这表明，在第一批真核生物出现之前，古生菌中就出现了广泛的细胞骨架结构，并为围绕这一生命历史上重要而壮观事件的进化理论提供了动力。

通过新的模式生物对未来的洞察

微生物学家Christa Schleper评论说:“我们的新生物，称为Lokiarchaeum ossiferum，有很大的潜力为真核生物的早期进化提供进一步的开创性见解。我们花了六年的时间才获得稳定和高度富集的培养物，但现在我们可以利用这一经验进行许多生化研究，并培养其他Asgard菌。”此外，科学家们现在可以使用ETH开发的新成像方法来研究，例如，Asgard菌与其细菌伙伴之间的密切相互作用。未来还可以对细胞分裂等基本细胞生物学过程进行研究，以阐明真核生物中这些机制的进化起源。

这种Asgard菌新成员表现出独特的细胞特征，可能代表了进化中更复杂的生命形式(如动物和植物)的“缺失环节”。这项研究最近发表在《自然》杂志上。

参考文献:“Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon” by Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-M. R. Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer and Christa Schleper, 21 December 2022, Nature.