Исследование международной группы биологов выявило, что асгард-археи — ближайшие микробные родственники эукариот — обладают генетическим аппаратом, необходимым для кислородного дыхания. Это открытие опровергает прежние представления о том, что общие предки растений, грибов и животных были строгими анаэробами и обитали исключительно в бескислородной среде. Полученные данные указывают на то, что археи могли использовать кислород еще до симбиоза с бактериями, которые впоследствии стали митохондриями.

Происхождение эукариотической клетки

Вопрос происхождения эукариотической клетки остается одной из ключевых загадок биологии. Долгое время преобладала модель, согласно которой анаэробная архея, жившая в условиях отсутствия кислорода, поглотила аэробную бактерию, ставшую впоследствии митохондрией. Считалось, что именно этот симбиоз обеспечил предков эукариот энергией, необходимой для формирования цитоскелета и сложной системы внутриклеточного транспорта. Однако недостаток данных о диких асгард-археях затруднял определение их метаболических возможностей до начала симбиоза.

Генетический анализ асгард-архей

В рамках исследования были проанализированы пробы морских осадков из залива Бохайвань у побережья Китая и глубоководного бассейна Гуаймас в Калифорнийском заливе. Обработано 10 терабайт данных секвенирования, что позволило восстановить 869 метагеномно-собранных геномов асгард-архей — почти вдвое больше, чем было известно ранее. Особое внимание уделялось классу Heimdallarchaeia и отряду Hodarchaeales, которые считаются наиболее близкими к современным эукариотам.

Для определения функций обнаруженных белков использовалась нейросеть AlphaFold2, которая предсказала трехмерную структуру ферментов и подтвердила их участие в энергетических процессах. Также были сопоставлены генетические профили микробов с экологическими параметрами мест их обитания для выяснения оптимальных условий существования современных потомков архейного предка.

Метаболические возможности и адаптация к кислороду

Анализ показал, что у группы Hodarchaeales присутствует полный набор генов, необходимых для функционирования дыхательной цепи. Эти микробы способны самостоятельно синтезировать гем и нейтрализовать токсичные побочные продукты дыхания. В их геномах обнаружен регуляторный белок CoxD, который у современных эукариот отвечает за сборку дыхательных комплексов.

Современные асгард-археи обитают не только в глубоководных разломах, лишённых кислорода, но и в прибрежных осадках с умеренным содержанием кислорода. Строение их мембранных гидрогеназ указывает на наличие субъединиц, повышающих эффективность синтеза АТФ. Молекулярные модели свидетельствуют, что адаптация к кислороду в этой линии могла начаться за 50 миллионов лет до кислородной катастрофы, когда уровень кислорода на планете начал расти из-за деятельности цианобактерий.

Значение результатов

Результаты исследования показывают, что архея-хозяин была метаболически более сложной и автономной, чем предполагалось в ранних моделях эукариогенеза. Кислородное дыхание, вероятно, появилось у предков эукариот еще на досимбиотической стадии. Высокая энергетическая отдача от использования кислорода способствовала раннему усложнению клетки, а последующее поглощение митохондрии лишь усилило уже существующие аэробные возможности организма.