包括植物、動物和真菌在內的複雜生命形式被稱為真核生物。
這些生物是由細胞組成的，這些細胞含有膜結合的內部隔間，如細胞核和其他細胞器。
Imachi等人在《自然》(Nature)雜誌上撰文稱，一種被稱為“阿斯加德古菌”(Asgard archaeon)的微生物終於在實驗室中得到了培養，它可能有助於揭示早期真核細胞是如何進化的。
阿斯加德是北歐神話中阿薩神族的地界，所有尊奉奧丁為主神的神明都居住在這裡。
這一成果將有助於對迄今為止最接近真核生物的古細菌進行詳細的新陳代謝和細胞研究。
人們認為，當兩種類型的單細胞合併，其中一種吞噬另一種時，真核生物就出現了。
來自古菌域的一個細胞被認為吞噬了另一種細菌細胞，後者屬於α-變形菌(alphaproteobacterium)一類，被吞噬的細菌進化成了真核生物的產能細胞器——線粒體。
然而，吞噬這種細菌的原始細胞的性質尚不清楚。
基因組分析加強了這種細胞可以追溯到古生菌的觀點，因為許多涉及中心生物過程的古細菌基因，如轉錄、翻譯和DNA複製，與相應的真核生物基因有共同的祖先(在系統遺傳學上是相關的)。
是被真正的古細菌吞噬，還是被已經獲得了一些真核特徵的古細菌吞噬，比如細胞核?
迄今為止，還沒有發現任何能夠解釋早期真核生物祖先的化石。
然而，對古細菌譜系的研究為我們提供了一條前進的道路。
2015年以來，在基因組和系統發育分析的基礎上，新發現的一門被稱為“Lokiarchaeota”(以挪威神洛基命名)的古菌被認為是真核生物進化而來的古代原始宿主細胞的現存近親。
隨後的基因組研究揭示了更多這樣的譜系，其他北歐諸神已經為它們提供了名字(托爾、奧丁、海姆達爾和赫爾)，現在它們與Lokiarchaeota一起被統稱為“阿斯加德古菌”(Asgard archaea)。
有趣的是，所有這些譜系都包含大量基因，這些基因編碼所謂的真核特徵蛋白(ESPs)，這種蛋白通常只在真核生物中發現。
目前，根據系統發育分析和真核生物基因組ESP含量，海姆達爾古菌(Heimdallarchaeota)是預測的最接近真核生物的古細菌親戚。
然而，阿斯加德古菌的所有成員都是預先確定的，他們的新陳代謝也只是由他們的DNA序列來預測的，因此他們的細胞特徵直到現在還不為人所知。
Imachi和他的同事們報告說，他們在實驗室裡培養了一種來自Lokiarchaeota門的阿斯加德古細菌，他們打算把這種生物叫做“Prometheoarchaeum syntrophicum”(以普羅米修斯命名)，這種生物是從深海沉積物中獲得的。
古生菌不同尋常的形態和代謝促使作者提出了第一個真核細胞出現的新模型。
這一事件預計發生在20億到18億年前，是進化生物學中關鍵的細胞轉變之一，也是一個主要的生物學之謎。
早在阿斯加德古細菌被發現的六年多以前，Imachi和他的同事們就已經開始在深海沉積物中培養微生物。
他們最初的目標是尋找能夠降解甲烷的生物，他們在日本海岸海面下2.5公里處尋找這樣的微生物。
Imachi等人建立了一個流動生物反應器裝置，模擬溫度(10°C)和該水下場所的低氧和低營養條件。
在開始這項生物反應器工作的五年內，出現了一個由活躍細菌和古菌組成的高度多樣化的聯合體，包括Lokiarchaeota。
這些優化結果表明，古生菌在不直接反映其原始棲息地的條件下生長得最好:在20℃，添加氨基酸、多肽甚至嬰兒奶粉。
作者報告說，活菌的生長依賴於其他微生物夥伴的存在，而這些夥伴又依賴於活菌的生存——這種關係被稱為共生。
根據基因組數據的正確預測，這些夥伴清除的是由古細菌Prometheoarchaeum釋放的氫。
研究人員發現，儘管古生菌生長極其緩慢，複製和分裂需要2到4周的時間，但在培養液中，它可以被培養成佔據細菌群體80%以上。
根據同位素分析的初步研究，作者報告說這種生物可以降解外部供應的氨基酸。然而，這並不排除它也依靠生長培養基中的其他營養生長的可能性。
古生菌細胞相對較小(直徑300-750納米)，具有其他古菌的脂質特徵，沒有真核類細胞器的證據。
然而，這種生物在它的細胞表面形成了有趣的結構，包括長而多分枝的突出物。
作者提出了一個新的真核細胞出現的模型，包括三個參與者。在這個模型中，一個會產生線粒體的自由生活的細菌祖先與原始宿主細胞糾纏在一起，然後被宿主細胞吞噬，宿主細胞本身與細菌夥伴處於一種共生關係。
這些想法不同於“反向氫流”(reverse hydrogen flow)模型，該模型認為古生菌產生的氫被細菌線粒體祖先直接消耗，不需要假設有第三個夥伴。
Imachi和同事們經過十多年的努力，成功培養出了Prometheoarchaeum，這是微生物學的一大突破。
它為利用分子和成像技術進一步闡明古生菌的代謝和ESPs在古生菌細胞生物學中的作用奠定了基礎，這進而可以指導未來研究真核細胞如何出現的工作方向。
原文出處：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-00039-y
Meet the relatives of our cellular ancestor
作者：Christa Schleper &Filipa L. Sousa
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