Hefðbundin flokkun lífsforma í dreifkjörnunga og heilkjörnunga var endurskoðuð árið 1977 þegar rRNA röð einkenni leiddi í ljós að fornfrumur (þá kallaðar 'fornbakteríur') eru ''eins fjarskyldar bakteríum og bakteríur eru heilkjörnungum.'' Þessi nauðsynlegi flokkun lifandi lífvera í eubacteria (sem samanstendur af öllum dæmigerðum bakteríum), archaea og heilkjörnunga. Spurningin um uppruna heilkjörnunga var eftir. Í fyllingu tímans fóru sönnunargögn að byggjast upp í þágu fornaldarættar heilkjörnunga. Sérstaklega áhugaverð var sú uppgötvun að Asgard archaea hefur nokkur hundruð heilkjörnunga einkennisprótein (ESPs) gen í erfðamengi sínu. ESPs gegna mikilvægu hlutverki í þróun frumubeinagrindarinnar og flókinna frumubyggingar eiginleika heilkjörnunga. Í byltingarkennslu sem birt var 21. desember 2022, hafa vísindamenn greint frá farsælli ræktun á auðgaðri menningu af hálffáum Asgard archaea sem þeir mynduðu með því að nota kryó-rafeindasneiðmynd. Þeir sáu að Asgard frumur væru með flókna frumubeinagrind sem byggir á aktíni. Þetta var fyrsta beina sjónræna vísbendingin um fornleifaætt heilkjörnunga, mikilvægt skref í skilningi á uppruna heilkjörnunga.
Fram til 1977 voru lífsformin á jörðinni flokkuð í heilkjörnungar (flókin form sem einkennist af innlimun erfðaefnis frumunnar í vel skilgreindan kjarna og nærveru umfrymis) og dreifkjörnunga (einfaldari lífsform með erfðaefni í umfrymi án tiltekins kjarna, þar á meðal bakteríur og fornbakteríur). Það var talið að frumu heilkjörnungar þróast fyrir um 2 milljörðum ára, líklega frá dreifkjörnungunum. En hvernig nákvæmlega urðu heilkjörnungarnir til? Hvernig eru flóknu frumulífsformin, tengd við einfaldari frumulífsform? Þetta var stór opin spurning í líffræði.
Tækniframfarir í sameindalíffræði gena og próteina hjálpuðu til við að kafa ofan í kjarna málsins þegar árið 1977 kom í ljós að archaea (þá kallaður 'archaebacteria') var ''eins fjarskyldar bakteríum og bakteríur eru heilkjörnungar.Fyrri greinarmunur á lífsformum í dreifkjörnunga og heilkjörnunga byggðist á svipgerðum mun á stigi frumulíffæra. Fræðslusamband ætti í staðinn að byggjast á víðtækri sameind. Ríbósómal RNA (rRNA) er ein slík lífsameind sem er til staðar í öllum sjálfsafritunarkerfum og raðirnar breytast mjög lítið með tímanum. Greining byggð á rRNA röð einkenna gerði nauðsynlegt að flokka lifandi lífverur í eubakteríur (sem samanstanda af öllum dæmigerðum bakteríum), archaea, og heilkjörnunga1.
Í kjölfarið byrjaði að koma fram vísbendingar um nánara samband milli forndýra og heilkjörnunga. Árið 1983 kom í ljós að DNA-háðir RNA pólýmerasar archaea og heilkjörnungar eru af sömu gerð; báðir sýna sláandi svipaða ónæmisefnafræðilega eiginleika og báðir eru fengnir frá sameiginlegri forfeðrabyggingu2. Byggt á ályktuðu samsettu fylógenetísku tré af próteinpari, sýndi önnur rannsókn sem birt var árið 1989 nánari tengsl forndýra við heilkjörnunga en eubakteríur.3. Á þessum tíma, fornleifauppruni heilkjörnungar var komið á fót en eftir var að greina og rannsaka nákvæmar forndýrategundir.
Vöxtur í erfðafræðilegum rannsóknum eftir árangur í erfðamengi verkefni, veitti bráðnauðsynlegan fyllingu á þessu svæði. Milli 2015-2020 komust nokkrar rannsóknir að því að Asgard archaea bera heilkjörnunga sértæk gen. Erfðamengi þeirra er auðgað fyrir prótein sem talin eru sértæk fyrir heilkjörnunga. Þessar rannsóknir auðkenndu greinilega að Asgard archaea hefði nálægustu erfðafræðilegri nálægð við heilkjörnunga vegna nærveru hundruða heilkjörnunga einkennispróteina (ESPs) gena í erfðamengi þeirra.
Næsta skref var að sjá líkamlega fyrir sér innri kjallarabyggingu Asgard archaea til að staðfesta hlutverk ESP eins og almennt er talið að ESPs gegni lykilhlutverki í myndun flókinna frumubygginga. Til þess þurfti mjög auðgað menningu þessarar fornaldar, en Asgard er vitað fyrir að vera fimmtugur og dularfullur. sem veldur erfiðleikum við ræktun í nógu miklu magni til að rannsaka þau á rannsóknarstofu. Samkvæmt rannsókn sem greint var frá nýlega þann 21. desember 2022, er þessi erfiðleiki nú yfirstiginn.
Rannsakendur hafa, eftir sex ára erfiðisvinnu, spuna tækni og hafa með góðum árangri ræktað á rannsóknarstofu, mjög auðgað menningu „Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', meðlimur Ásgarðshópsins. Þetta var merkilegt afrek, einnig vegna þess að þetta gerði vísindamönnum kleift að sjá og rannsaka innri frumubyggingu Ásgarðs.
Krý-rafeindasneiðmynd var notuð til að mynda auðgunarmenninguna. Asgard frumurnar voru með hníslafrumulíkama og net af greinóttum útskotum. Uppbygging frumuyfirborðs var flókin. Frumubeinagrind teygist út um frumulíkama. Snúin tvíþátta þráðurinn samanstendur af Lokiactin (þ.e. aktín samsvörun kóðuð af Lokiarchaeota). Þannig höfðu Asgard frumur flókna frumubeinagrind sem byggir á aktíni, sem vísindamennirnir leggja til, fyrir þróun fyrstu heilkjörnungar.
Sem fyrsta raunverulega líkamlega/sjónræna vísbendingin um fornleifaætt heilkjörnunga, er þetta ótrúleg framfarir í líffræði.
***
Tilvísanir:
- Woese CR og Fox GE, 1977. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Gefið út nóvember 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088
- Huet, J., et al 1983. Fornbakteríur og heilkjörnungar búa yfir DNA-háðum RNA fjölliðurum af algengri gerð. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x
- Iwabe, N., et al 1989. Þróunarsamband fornbaktería, eubaktería og heilkjörnunga sem ályktað er af ættfræðitrjám tvítekinna gena. Frv. Natl Acad. Sci. Bandaríkin 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355
- Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Aktín frumubeinagrind og flókin frumubygging í Asgard fornleifa. Birt: 21. desember 2022. Náttúra (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y
***
