神秘古菌“洛基”：来自深海底泥的微生物会是复杂生物的起源吗？

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原文作者：Jonathan Lambert

之前只在DNA测序中发现过的洛基古菌（Lokiarchaea），如今被科学家成功分离并培养出来了。

生物学家首次捕获并培养了一种极其隐秘的微生物，这种微生物与地球上所有复杂生命体的可能祖先十分相似。

古菌经常被发现于极端环境中，比如新西兰附近Giggenbach海底火山山顶的这些烟囱中。来源：New Zealand-American Submarine Ring of Fire 2005 Exploration, NOAA Vents Program

在bioRxiv上发布的一份预印本中¹（注：该论文日前已发表于《自然》，查看更多👉培养神秘的古菌 |《自然》论文），来自日本的科学家称，他们分离并培养了一种源自远古谱系的古菌——古菌是单细胞的微生物，表面看起来很像细菌但本质却大不相同——这种古菌之前只在基因组序列中被检测到过。

研究人员花了十二年的时间才培育出这些来自深海底泥微生物的纯菌种。这项研究让科学家第一次见到了这种生物，它们可能完成了从简单的类细菌细胞到真核生物的跨越——真核生物的细胞中有细胞核及其它结构，植物、真菌、人类和其它动物都属于此类。

“这是一篇意义非凡的论文，承载了大量的工作和坚持不懈的努力。”荷兰瓦格宁根大学的演化微生物学家Thijs Ettema评价道，“它让我们对这个重要谱系的了解又前进了一大步。”

源自淤泥

洛基古菌这个逐渐为人了解的神秘类群，最初来自“洛基城堡”（格陵兰沿岸的一处海底热液喷口）附近挖出的微生物泥浆。2015年，Ettema和同事对泥浆中的微生物碎片进行了基因测序，并把它们按物种分类，拼接成了一些较为完整的基因组²，这种方法也被称为宏基因组学。

其中有一个基因组格外引人注目。它很显然是一种古菌，但在这个基因组中散布着许多真核细胞样基因。对Ettema来说，这个神秘古菌或许能够填补简单微生物和真核生物之间的演化空白。研究者称它为洛基古菌，取名自北欧神话中的捣蛋鬼“洛基”（Loki）。

很快，其它实验室也陆续发现了洛基样古菌，这些古菌共同组成了阿斯加德（Asgard）古菌门——阿斯加德是北欧神话中众神居住的地方。尽管这类生物在系统进化树上的确切位置还有争议，很多研究将它们与真核生物并列来分析，或许意味着某种远古的阿斯加德样祖先是所有真核生物的起源。也就是说，从大熊猫到大蘑菇在内的所有生物可能都是它们的后代。

合二为一

以上观点的支持者认为，大约二十亿年前，一颗阿斯加德样古菌吞食了一颗细菌。整个摄食过程并没有让古菌大快朵颐，而是催生了一种互利共赢的关系，这种现象被称为“内共生”。这种假设认为，这颗细菌最终进化成了线粒体，变成了为细胞提供能量的细胞器，间接促使了真核生物的诞生。另一个类似的合并过程很有可能导致了细胞核的形成。

不过，并不是所有研究者都认同是阿斯加德古菌完成了这个跨越。有观点认为，阿斯加德古菌中非常特别的真核细胞样基因，其实是来自泥沙中的其它微生物的污染。况且，实验室中没有一个实体的微生物可以作为研究对象，很难知晓那些真核细胞样基因的实际作用是什么，也无法了解内共生过程究竟如何是推进的。“我们已经从基因组中得到了很多信息，但如果没有实验室培养的纯菌种，我们的认识也只能到这了。”Ettema说道。

由于阿斯加德古菌来自极端环境，且生长速率慢得惊人，之前从未有人在实验室环境下成功培养出来过。“整个领域的人都在等着这一天的到来。”来自巴黎巴斯德研究所的演化微生物学家Simonetta Gribaldo说。

十二年磨一剑

就在阿斯加德古菌还不为人知的前几年，日本海洋-地球科技研究所的微生物学家井町宽之（Hiroyuki Imachi）与合作者便开始了将阿斯加德古菌带进实验室的艰难工作。

为了培育深海沉积物中的微生物，井町宽之和同事们建造了一个模拟深海甲烷喷口的生物反应器。研究人员等待反应器中缓慢生长的微生物数目翻倍，一等就是五年。

他们随后从反应器中采样，将它们和营养物质一起放入玻璃试管中，又等了一年才见到一些生命迹象。基因分析显示出了一个勉强能检测出的洛基古菌类群。研究人员耐心哄着这些洛基古菌长到了更高数目，然后提纯了样品——它们进行一次细胞分裂都要2-3周。“这是我知道的分裂最慢的生物之一。”Ettema说。

最终，在十二年的努力之后，研究者得到了一个稳定的实验室培养物。这个培养物中只有这种新的洛基古菌和另一种产甲烷的古菌。这两种微生物形成了一个共生关系（之前观察到过类似的古菌和细菌菌落）。科学家们将培养出的洛基古菌命名为Prometheoarchaeum syntrophicum。

“这是了不起的成就，”Gribaldo说，“难能可贵的是，他们在阿斯加德热潮开始之前就开始做了。实验做到中途的时候他们大概才意识到手上有金矿。”

“来自外太空的生物”

在显微镜下，这些“金矿”是直径不到1微米的球形细胞。像其它古菌和细菌一样，它们的内部结构相对简单，而它们的外表面会形成丝线一样的突起，向体外延伸。“我觉得没有人能预料到它们会长成这样。”Ettema说，“它像是一个外太空来的物种。”

新物种暂定名为Prometheoarchaeum syntrophicum，在扫描电镜图上可以看到它们有着不同寻常的突起结构。来源：H. Imachi et al.

研究者称，他们培养的洛基古菌靠分解氨基酸产生能量，并能和共生伙伴交换储能分子。Ettema说，之前从阿斯加德古菌的基因组中，确实能看出这方面的潜质，但没有实验室菌种，一切都无法证实。

最终，研究者从提纯的样品中提取DNA进行测序，相比之前从泥沙中提取许多生物的混合物，他们的结果能够证实洛基古菌的的确确含有无数真核细胞样基因。“样品污染说终于可以停息了。”Gribaldo说。

Ettema表示，这项工作为阿斯加德古菌下一阶段的研究打开了大门。但他也强调，还需要培养更多的阿斯加德古菌，才能确定阿斯加德样古菌是不是真核生物的起源，如果是，它们又是以怎样的方式发展成了真核生物。

更多P. syntrophicum的扫描电镜图。来源：H. Imachi et al.

“我们没法让时间倒流，回去看看究竟发生了什么。”Ettema说。我们如今看到的阿斯加德古菌与当初孕育了真核生物的微生物并不完全相同。但他认为，培育更多的阿斯加德古菌，探究那些真核细胞样基因的作用，有助于绘制出更完整的演化树；研究者也能够更好地推断出，简单的单细胞生命最初是如何朝着复杂的生命体迈出了那巨大的第一步。

参考文献：

1.     Imachi, H. et al. Preprint at https://doi.org/10.1101/726976 (2019).

2.     Spang, A. et al. Nature 521, 173–179 (2015).

原文以Scientists glimpse oddball microbe that could help explain rise of complex life为标题发表在2019年8月9日的《自然》新闻上

© nature

Nature|doi:10.1038/d41586-019-02430-w

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