Искусственно созданный микроорганизм не подтвердил теории происхождения бактерий и архей

Универсального общего предка бактерий и архей впервые воссоздали в лаборатории

Бактерии и археи являются двумя из трёх доменов, или надцарств, живых организмов. От третьего домена, эукариотов (к которым относятся грибы, растения и животные), их отличает отсутствие ядра в клетке.

Эволюционные биологи полагают, что бактерии и археи произошли от последнего универсального общего предка (он же LUCA). Считается, что он обитал на планете 3,5-3,8 миллиарда лет назад (в палеоархейскую эру).

Окаменелых останков LUCA не сохранилось, поэтому его можно изучать только путём сравнения геномов.

С помощью этого метода в 2016 году был определён набор из 355 генов, точно имевшихся у последнего универсального общего предка.

Обратите внимание

Согласно одной из гипотез, организмы LUCA эволюционировали в бактерии и археи из-за того, что их клеточная мембрана имела нестабильный липидный бислой. Однако учёные из Гронингенского и Вагенингенского университетов в Нидерландах опровергли эту гипотезу.

В ходе новой работы команда впервые создала в лабораторных условиях новую форму жизни, максимально приближенную к той, которую принято считать последними универсальным общим предком всего живого на Земле.

Авторы поясняют: согласно общепринятой теории, бактерии и археи развились благодаря процессу, который можно назвать липидным делением. У этих доменов мембраны состоят из фосфолипидов, но их молекулярная структура различна и, по сути, зеркальна. Между тем в двойной клеточной мембране LUCA миллионы лет назад были объединены оба типа липидов, то есть её состав был смешанным.

«Эта смешанная мембрана была бы менее устойчивой, чем гомогенная мембрана только из одного типа фосфолипидов, поэтому в конечном итоге произошёл раскол, в результате чего появились бактерии и археи», – поясняет молекулярный биолог Арнольд Дриссен (Arnold Driessen).

По его словам, доказательств эта гипотеза не имеет, ведь всё происходило 3,5 миллиарда лет назад. Потому-то исследователи и решили воссоздать микроорганизм со смешанной липидной мембраной в лаборатории и изучить его.

Отмечается, что подобные эксперименты проводились и раньше, однако тогда на выходе у учёных получалось добавить в бактериальную клеточную мембрану менее 1% археальных липидов, то есть смешанной такую оболочку можно было назвать с очень большой натяжкой.

В новом исследовании процент археальных фосфолипидов, который смешали с бактериальными, составил 30%. Это стало возможным благодаря двух ключевым открытиям.

«В предыдущих исследованиях мы обнаружили фермент, имеющий решающее значение для производства липидов археальной мембраны. Оно занимает три стадии, и до этого были известны только два из трёх ферментов, вовлечённых в этот процесс», – рассказывает Дриссен о первом прорыве.

Второй же заключается в том, что специалистам впервые удалось увеличить производство изопреноидов в бактерии вида E. coli (кишечная палочка). Изопреноиды – обширная группа органических соединений с регулярным строением углеродного скелета, образующихся в живых организмах из мевалоновой кислоты.

Оба открытия были использованы в работе с культурами обычной кишечной палочки.

«Мы не знали, будет ли конечный результат жизнеспособной клеткой, –говорит Дриссен. – Но в итоге всё получилось хорошо».

Благодаря тонким «настройкам», команда создала клетку, в которой фосфатидилглицерин (липидное соединение, образующее основной бислой бактериальной мембраны) был заменён археальным «эквивалентом».

Сравнение обычной бактерии вида E. coli и воссозданного организма со смешанной мембраной

«Эта бактерия росла с нормальной скоростью и была стабильной. Надёжность этих смешанных ячеек удивила нас. Мы ожидали, что у них будет больше проблем с тем, чтобы остаться в живых. Таким образом, этот результат не подтверждает гипотезу о том, что смешанная мембрана по своей природе нестабильна и может начать липидное деление», — отмечает биолог.

Важно

По его словам, археальные ферменты, из которых производятся мембранные липиды, менее специфичны в реакциях, чем их бактериальные аналоги. Они кажутся более «первичными», пишут авторы. И, по их мнению, возможно, именно эволюция этих специфичных ферментов могла стать причиной появления бактерий и архей, а также их разделения на разные домены.

Хотя учёные подчёркивают: нельзя забывать, что воссоздавался последний универсальный общей предок всё-таки на основе уже современного микроорганизма. Если этот лабораторный гибрид уютно чувствовал себя в чашке Петри и не трещал по «мембранным швам», это не означает, что такое не могло произойти миллиарды лет назад.

Получается, что эволюционным биологам ещё предстоит разгадать тайну появления бактерий и архей – либо подтвердить существующую версию, либо выдвинуть новую. Кроме того, работа по воссозданию древнейших организмов и процессов их развития будет продолжена.

Научная статья по итогам этого исследования представлена в издании PNAS.

Кстати, ранее биологи также высказали предположение, что прародителями всего живого могли быть гигантские вирусы.

Источник: https://alev.biz/news/science-news/microbiology/universalnogo-obshhego-predka-bakterij-i-arhej-vpervye-vossozdali-v-laboratorii/

Появление и эволюция клеточной мембраны

У всех современных организмов клеточная мембрана играет принципиальную роль в энергетическом обмене и других биохимических процессах.

Новые исследования эволюции мембран позволяют ответить на многие каверзные вопросы: как мембрана появилась у нашего далекого предка LUCA, почему мембраны бактерий и архей так непохожи и каким образом эукариоты обзавелись мембранными органеллами.

Мембрана играет важнейшую роль в нормальном функционировании клетки: она обеспечивает отделение клетки от внешней среды и за счет компартментализации создает необходимую среду для протекания различных биохимических и энергетических процессов.

Немало исследований посвящено изучению биохимии и биофизики биомембран [1], но не менее важное значение имеет и изучение их эволюции.

Как и при каких обстоятельствах мембрана появилась в эволюции живого впервые? Когда появились первые эукариоты, и каким образом они обзавелись множеством внутренних мембран, которых нет у прокариот? Над этими вопросами ученые ломают головы уже долго, но до недавнего времени они могли оперировать только умозрительными гипотезами. Развитие масштабных методов анализа геномов (и прочих «омов» [2]), биоинформатики и математического моделирования в биологии [3] позволили если и не дать исчерпывающие ответов, то подобраться к ним вплотную.

Происхождение эукариот «наизнанку»

В недавно опубликованной в журнале BMC Biology статье [4] Дэвид и Базз Баумы, основываясь на большом количестве филогенетических данных, выдвинули новую гипотезу происхождения эукариотической клетки.

Они называют эту гипотезу «моделью наизнанку» (inside-out, изнутри — наружу), в противовес господствовавшей до сих пор гипотезе «снаружи — внутрь» (outside-in). Согласно традиционной теории мембранные органеллы эукариот появились благодаря «впячиванию» своей наружной мембраны.

Митохондрии, например, согласно этой гипотезе, были «проглочены» будущими эукариотами с помощью фагоцитоза. Однако со времени появления этой гипотезы накопилось немало данных, которые ей противоречат и указывают на то, что ситуация была противоположной.

Совет

Вероятно, новые органеллы появились у будущих эукариот более дружелюбным способом — с помощью объятий.

«Модель наизнанку» предполагает, что эукариотическое ядро образовалось из основной части предковой клетки, а цитоплазма с митохондриями и другими мембранными органеллами — из выростов этой клетки, которые по началу просто окружали клетки-симбионты (рис. 1). Новую гипотезу поддерживает множество важных фактов.

Например, археи (они и были этими предковыми клетками) могут только выпячивать мембрану, а «впячивать» — нет. Несомненно, эта новая гипотеза требует дальнейшей проработки, но специалисты* оценивают ее позитивно: она действительно подтверждается известными данными о морфологии и биохимии прокариот и помогает сделать предсказания, которые можно проверить экспериментально (например, механизмы сборки ядерных пор и филогению белков фагоцитоза).

Рисунок 1. Схема того, как эукариотическая клетка могла возникнуть в соответствии с «моделью наизнанку». Выросты клетки-хозяина окружили клетки-симбионты, постепенно превратив их во внутренние мембранные органеллы. Рисунок из [4].

Математическое моделирование позволило другой группе ученых лучше разобраться с еще одним важным вопросом: какой была мембрана общего предка архей и бактерий, и как ее строение определило эволюцию этих двух групп прокариот. Об этом рассказывается в их недавней статье, вышедшей в журнале PLoS Biology [6].

Бактерии и археи: единство противоположностей

Все современные живые организмы относятся к одному из трех доменов жизни: бактерии, археи и эукариоты. По более-менее общепринятой гипотезе эукариоты происходят от своеобразного «слияния» двух других групп, которые являются гораздо более древними.

Бактерии и археи происходят от общего предка — по-английски он называется LUCA (last universal common ancestor, последний универсальный общий предок). Бактерии и археи имеют много общих черт, включая одинаковый генетический код, механизмы транскрипции и рибосомной трансляции, но при этом отличаются в некоторых ключевых моментах.

Они имеют разный химический состав клеточных мембран и стенок, по-разному устроенный гликолиз, ионные насосы и даже разные механизмы репликации ДНК.

Возможно, различия в устройстве клеточной мембраны являются ключевыми в этом списке различий (рис. 2) [7]. Мембраны современных бактерий состоят из фосфолипидов: сложных эфиров глицерина, двух остатков жирной кислоты и одного фосфатного остатка, к которому может быть присоединена дополнительная полярная группа.

Гидрофобные хвосты жирных кислот образуют средний слой мембраны, а полярные остатки глицерина, фосфата и вспомогательных полярных групп — наружный и внутренний слои. Мембраны архей устроены в принципе похоже, но на другой химической основе.

Вместо жирных кислот их липиды содержат терпеновые спирты, углеводородные цепочки которых несут метильные группы через каждые четыре атома. Моделирование молекулярной динамики мембран показало, что благодаря таким метильным «ответвлениям» мембраны становятся очень прочными, но при этом сохраняют гибкость [8, 9].

Терпеновые спирты простыми эфирными связями присоединяются к глицеринфосфату, фосфатный остаток может дополняться другими полярными головками, такими же, как у бактерий. Сам глицеринфосфат архей тоже отличается от бактериального — у архей используется другой его оптический изомер (глицерин-1-фосфат вместо глицерин-3-фосфата).

Обратите внимание

Получается, что мембрана — важнейший элемент, обеспечивающей существование клетки как самостоятельной единицы, — появилась у бактерий и архей независимо. Из этого удивительного наблюдения некоторые ученые даже делают вывод о том, что у LUCA мембраны вообще не было [10].

Но это крайне маловероятно, учитывая, насколько важной для большинства биохимических процессов является мембрана. Сложно представить, что молекулярные механизмы, протекающие одинаково и у бактерий, и у архей, появились и могли функционировать еще до появления мембраны. Значит, какая-то мембрана у LUCA все-таки была.

Группа ученых из Университетского Лондонского колледжа с помощью математического моделирования разработала модель, описывающую, как эта мембрана выглядела, и как из нее появились разные мембраны бактерий и архей [6].

Рисунок 2. Строение мембранных липидов бактерий (справа) и архей (слева) [7].

«Протекающая» мембрана

C различным строением мембраны бактерий и архей никак не вязалось то, что производство энергии в клетках обеих групп устроено очень похожим образом. Дело в том, что во всех современных клетках производство энергии (которая запасается в виде молекул АТФ) сопряжено с мембраной.

Ключевыми стадиями этого процесса являются создание градиента протонов на мембране (избыток ионов Н+ с наружной стороны мембраны по сравнению с внутренней) и работа АТФ-синтазы за счет этого градиента.

При этом протоны проходят через канал в АТФ-синтазе, вызывая тем самым механический поворот части АТФ-ситназного комплекса, который, в свою очередь, обеспечивает катализ синтеза АТФ. Согласно филогенетическим исследованиям, АТФ-синтазы всех организмов имеют общее эволюционное происхождение, и предковая молекула была уже у LUCA.

У некоторых бактерий и архей вместо градиента протонов используется градиент ионов натрия, а у некоторых — и тот, и другой. Долгое время считалось, что Na+ выступает в качестве заменителя H+ у организмов, живущих в экстремальных условиях (термальных источниках или в сильнощелочной среде).

Однако оказалось, что натрий-специфические ферменты занимают самые нижние ветви филогенетического древа в обоих доменах, что указывает на их древность. Модель функционирования древней мембраны, предложенная британскими учеными, успешно объясняет, как и зачем в процессе эволюции возникла способность АТФ-синтазы использовать ионы натрия.

Но, прежде чем ответить на этот вопрос, они должны были разобраться с еще одной проблемой — несмотря на общее происхождение АТФ-синтаз, ионные насосы возникли у бактерий и архей независимо, т.е, вероятно, у LUCA их не было. Как же тогда древняя клетка могла избавляться от протонов, поступающих внутрь при работе АТФ-синтазы, и создавать градиент протонов?

По мнению авторов исследования, единственным объяснением могло быть то, что мембрана LUCA была «протекающей» (leaky), и клетка использовала естественные источники протонного градиента. На основе своих предположений ученые построили математическую модель древней клетки.

В этой модели клетка находится на границе между двумя ламинарными потоками — кислотным (pH 5–7) и щелочным (pH 9–10), не смешивающимися за счет неорганического барьера (рис. 3). Подобные условия могли существовать в древнем океане рядом с подводными щелочными источниками (сама морская вода имела кислую реакцию).

При этом мембрана клетки была полупроницаемой («протекающей») и свободно пропускала ионы H+с одной стороны клетки и ионы OH− с другой стороны. Эти ионы могут также свободно выходить через мембрану или взаимно нейтрализоваться внутри клетки с образованием воды.

Молекула, способная к синтезу АТФ (древняя АТФ-синтаза), находится на «кислотной» стороне клетки и использует градиент протонов на этой мембране для своей работы. Согласно расчетам исследователей, разница pH в три единицы (т.е.

Важно

тысячекратная разница в концентрации протонов) между щелочной и кислотной средами и молекулы АТФ-синтазы, занимающие 1% поверхности клетки, — это условия, необходимые и достаточные для того, чтобы клетка могла синтезировать необходимое количество АТФ для поддержания углеродного и энергетического метаболизма.

Рисунок 3. Условия с естественным градиентом протонов, в которых должна была обитать древняя клетка [6].

По мнению ученых, такая «протекающая» мембрана могла состоять из смеси амфифильных молекул, включая жирные кислоты и изопрены, но никак не могла содержать фосфолипиды, свойственные современным мембранам.

Добавление фосфолипидов приводит к снижению проницаемости мембраны для ионов, так как полярные группы не могу проходить через неполярную внутреннюю часть мембраны. Такая мембрана не позволяла бы поддерживать градиент протонов, а значит, и работу АТФ-синтазы.

Получается, что для клеток с «протекающей» мембраной не нужны ни фосфолипиды, ни ионные насосы (они никак не буду способствовать более эффективной работе АТФ-синтазы, т.к. все «накачанные» ионы будут утекать через мембрану).

Читайте также:  Современный подход к лечению бактериальной инфекции в полости желудка

Чтобы понять, как произошел переход от «протекающей» мембраны к современным мембранам с ионными насосами, ученые обратились к уже упомянутому факту: некоторые АТФ-синтазы могут использовать не только протоны, но и ионы натрия.

Исследователи предположили, что необходимым шагом для перехода к современной мембране было появление способности использовать для создания энергии градиента ионов натрия.

Создавать такой градиент могла бы молекула SPAP (sodium-proton antiporter, антипорт для ионов натрия и протонов), которая переносит один ион натрия в обмен на один протон. SPAP есть у многих представителей как архей, так и бактерий. Именно эта молекула могла бы использовать естественный градиент протонов для создания градиентов ионов натрия.

Даже «протекающая» мембрана в шесть раз менее проницаема для ионов натри, чем для протонов, поэтому градиент ионов натрия гораздо более долговечен в таких условиях. Если АТФ-синтаза сможет использовать для производства АТФ и протоны, и ионы натрия, клетка, согласно подсчетам, сможет создавать на 60% больше энергии.

Совет

Как уже было отмечено, некоторые современные АТФ-синтазы действительно способны использовать оба вида ионов.

Другие используют только один тип ионов, но при этом все они отличаются только парой аминокислотных замен (вероятно, это связано со схожестью ионного радиуса и заряда ионов Na+ и H3O+ — форм, в которые этих ионы обычно транспортируются ионными каналами).

Получившийся благодаря SPAP и смешанной работе АТФ-синтаз выигрыш в энергии клетки смогли бы использовать для того, чтобы начать занимать новые экологические ниши, в которых естественный градиент протонов был гораздо ниже (до 50 раз ниже) или был непостоянным. Кроме того, наличие SPAP делает выгодным наличие в клетке ионных насосов. Согласно расчетам модели, преимущество в использовании насосов возрастает со снижением проницаемости мембраны, вплоть до значений проницаемости, характерных для современных мембран.

Получатся, что SPAP — это та молекула, которая могла бы обеспечить переход от «протекающей» мембраны к почти непроницаемой современной, параллельно позволяя древним клеткам расширять ареал своего обитания.

По мере расселения, в разных популяциях LUCA могли возникать различные типы насосов, поэтому в современном мире бактерий и архей мы наблюдаем такое разнообразие молекул, причем не все они имеют общее происхождение. Исследователи смогли ответить и на вопрос, связанный с принципиальным различием мембран бактерий и архей.

Моделирование показало, что только после появления в эволюции ионных насосов клеткам стало выгодно снижать проницаемость мембраны за счет присоединения гидрофильных глицерол-фосфатных головок.

Из-за того, что такой синтез фосфолипидов может происходить двумя путями, в зависимости от того, с какой стороны происходит нуклеофильная атака на карбонильный центр, появилось два разных хиральных варианта фосфолипидов у бактерий и архей. Получается, что разные популяции получили разные ионные насосы, а потом каждая из них пошла либо по «архейному» пути, либо по «бактериальному», в зависимости от реакции нуклеофильного замещения.

Рисунок 4. Эволюция архей и бактерий от общего предка LUCA. A—E — постепенный переход от «протекающей мембраны» к современной.

Обратите внимание

F — дивергенция двух популяций, давших начало археям и бактериям, за счет эволюции мембраны.

На рисунках обозначены АТФ-синтаза (ATPase), архейный и бактериальный ионные насосы (Archaeal pump, Bacterial pump) и SPAP, сыгравшие главные роkи в процессе расхождения архей и бактерий. Рисунки из [6, 11].

Заключение

Изучать появление и эволюцию жизни на самых ранних ее этапах — задача сложная и нетривиальная, требующая работы с большими объемами данных и особенных подходов. В последние годы у ученых в руках появляется все больше инструментов для таких исследований, позволяющих им проверять давно сформулированные гипотезы и выдвигать новые предположения.

Иногда результаты удивляют и предполагают отказ от уже устоявшихся и давно вошедших в учебники теорий. Одно из новых исследований, например, показало, что стоит отказаться от теории происхождения мембранных органелл путем фагоцитоза, а обратить внимание на противоположную модель — модель расширения мембраны.

Другое описанное в этой статье исследование предлагает еще одну достаточно революционную идею. Согласно математической модели британских ученых мембрана LUCA была «протекающей», а переход к современной мембране стал возможен благодаря антипорту протонов и ионов натрия.

Эта модель подразумевает, что мембрана древних клеток состояла из жирных кислот и терпенов, хотя ранее такие мембраны считались неподходящими для производства энергии как раз из-за своей склонности к «протечкам».

Благодаря развитию информационных технологий и растущим объемам биологических баз данных ученые могут, хотя только в компьютерных моделях, заглянуть в далекое прошлое. Являются ли эти модели верными, покажут дальнейшие исследования, но уже сейчас они помогают понять многие критические точки в эволюции жизни на Земле.

  1. Липидный фундамент жизни;
  2. «Омики» – эпоха большой биологии;
  3. Вычислительное будущее биологии;
  4. Baum D.A., Baum B. (2014). An inside-out origin for the eukaryotic cell. BMC Biology 12, 76;
  5. ПостНаука: «Выдвинута новая гипотеза происхождения эукариотической клетки»;
  6. Sojo V., Pomiankowski A., Lane N. (2014) A Bioenergetic Basis for Membrane Divergence in Archaea and Bacteria. PLoS Biol 12, e1001926;
  7. Никитин М.А. (2013). Происхождение мембран и мембранной биоэнергетики. Химия и Жизнь № 9 (2013);
  8. Пресс-релиз на сайте ИБХ: «Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей»;

Источник: https://biomolecula.ru/articles/poiavlenie-i-evoliutsiia-kletochnoi-membrany

Нашли предков всех эукариот // ДНК со дна моря даёт ключ к разгадке эволюции

В океане, на глубине 3 283 метра, между Гренландией и Норвегией учёные обнаружили фрагменты ДНК неизвестного организма. Когда изучили геном, выяснили, что это тот самый загадочный родоначальник всех живых существ с клеточным ядром. Всех многоклеточных животных и растений, а также амёб, прочих инфузорий и нас с вами.

Эукариоты — организмы, клетки которых содержат ядро: окружённое внутриклеточной мембраной генетическое вещество, ДНК. К эукариотам принадлежат все многоклеточные организмы.

 Некоторые из органелл эукариот произошли от когда-то приручённых прокариот, которые поселились прямо внутри более крупных эукариотических клеток.

Такие внутриклеточные симбионты стали выполнять важные функции: митохондрии вырабатывают энергию, сжигая питательные вещества, а хлоропласты растений синтезируют углеводы, используя энергию солнечного света. 

Прокариоты — одноклеточные организмы, устроенные намного проще, чем эукариоты. Прокариоты — бактерии и археи. У них нет ядра и органелл, то есть всё содержимое клетки плавает в цитоплазме. Их ДНК устроена просто: она не делится на хромосомы (чаще всего ДНК замкнута в колечко).

Археи — одноклеточные организмы, отличающиеся и от бактерий, и от эукариот. Один из трёх главных доменов (высшая категория в систематике живых организмов). Не имеют ядра и мембранных органелл. Считаются самыми древними по происхождению из ныне живущих существ.

Клеточные мембраны — двойной слой липидных молекул с включёнными в него молекулами белков. Отделяют клетку от окружающей среды, ядро клетки — от цитоплазмы, клеточные органеллы — от других органелл. Кроме того, выполняют роль энергетических станций — в митохондриях и хлоропластах. В целом клеточные мембраны — главное, что позволило организмам стать многоклеточными.

«Первые эукариоты произошли от архей» — к такому выводу пришли учёные из Упсальского университета (старейший университет Швеции). Тийс Эттема с коллегами исследовали фрагменты ДНК, найденные в донных отложениях гидротермального источника Замок Локи.

Фрагменты были намного короче всей ДНК организмов, которым они принадлежали, но поскольку кусочков было много и они перекрывались между собой, по ним удалось восстановить структуру ДНК их хозяев. Всего собрали три генома, один получился почти полным — получилось аккуратно восстановить 92% его ДНК.

Важно

Обладатель этого генома был археем — простым одноклеточным организмом, ДНК которого не заключена в ядро, а свободно плавает в цитоплазме. Организмы получили название Lokiarcheum, сокращённо — Локи.

Эукариоты произошли от прокариот — в этом нет сомнений. Произошли очень давно, 1,5–2 млрд лет назад, на заре эволюции. Но как это получилось, откуда вдруг в одноклеточных организмах, похожих на примитивные бактерии, взялось ядро и множество других сложных структур? До сих пор это было не очень понятно.

Предполагалось, что вся сложность от архей — поныне существующих одноклеточных, почти таких же, как бактерии, но очень древних, судя по строению молекулярных комплексов.

Экспериментальных подтверждений этой гипотезе было совсем мало, к тому же оставался вопрос: есть ли общий предок у архей и эукариот, или когда-то археи сами мутировали и произвели клеточное ядро на нашу радость?

Образование ядра — ключевое событие всей эволюции. Наравне с ещё двумя: собственно происхождением жизни и появлением многоклеточных существ. Все три события — тайна, покрытая мраком миллиардов лет. Мы наблюдаем в реальном времени, как раскрывают одну из этих тайн. Захватывающе.

Итак, расшифровали ДНК организмов, поднятых со дна моря. Что дальше?

Большинство генов Локи оказались архейными, то есть прокариотическими. Но обнаружилось среди них и несколько генов, важных для эукариотических клеток и поддержания сложной жизни их внутренних мембран.

Во-первых, это были гены актина — белка, который составляет внутренний скелет эукариотических клеток и заодно может служить «рельсами», по которым транспортируются мембранные пузырьки с запасами полезных молекул.

Ещё актин необходим для фагоцитоза — захвата чужих клеток и их переваривания. У людей, например, это оружие иммунитета: фагоциты захватывают бактерии и уничтожают их.

Совет

А два миллиарда лет назад такого не было, но актин мог пригодиться на следующей ступеньки эволюции: большие одноклеточные захватили навсегда бактерий, интегрировали их (буквально) и сделали из них митохондрии —  важнейшую часть всех клеток, которая производит энергию.

Локи перевернул представления учёных о развитии жизни, потому что раньше сложные манипуляции с мембранами считались прерогативой эукариот.

Теперь получается, что ещё до поглощения внутриклеточных симбионтов — митохондрий, с которыми возникли эукариоты, — их предок уже обладал начальными способностями к обращению с мембранами, а потому был готов принять внутренних симбионтов. И этот предок эукариот, как и Локи, был археем.

Древо жизни в представлении учёных изменило свой облик: раньше бактерии, археи и эукариоты представляли на нём три отдельные ветви, а теперь ветвь эукариот отходит от архей. Оказалось, что они не так уж и непохожи на эукариот и могут заполнить пропасть между ними и проще устроенными прокариотами.

Конечно, теперь научное сообщество с нетерпением ждёт обнаружения живых хозяев восстановленного генома. Искать Локи, скорее всего, станут там, где будет выявляться больше их специфической ДНК.

Комментарий эксперта

Евгений Кунин — ведущий научный сотрудник Национального центра биотехнологической информации (National Center for Biotechnology Information, Бетесда, США), эксперт с мировым именем в области компьютерной и эволюционной биологии: 

«Bridge the gap (заполнили разрыв. — КШ) — это, конечно, метафора и, как почти любая метафора, неточность. Однако открытие очень важное, и выводы в самой статье вполне корректны. Описанный организм, насколько можно судить по геному, действительно представляет собой архею со сложной внутриклеточной организацией и беспрецедентным набором эукариотических черт.

Речь идёт о сравнительно небольшом числе генов (хотя как считать — в этот набор входит очень даже солидное семейство регуляторных ГТФаз), но здесь важно не количество, а качество. Именно белки, кодируемые этими генами, обеспечивают формирование цитоскелета, а возможно, и внутриклеточных мембран.

Эти внутриклеточные структуры вполне могут обеспечить возможность поглощения таким организмом других микробов, в частности бактерий, что создаёт предпосылки для эндосимбиоза.

Разумеется, это всё гипотезы — экспериментальные данные могут появиться, только когда организм будет исследован в лаборатории, что крайне нелегко. Однако анализ генома очень чётко указывает на эти возможности.

Обратите внимание

Замечу, что характеристики архейного предка эукариот были предсказаны — прямо скажу, в первую очередь в работах моей группы — на основе анализа геномов других архей. Точность, с которой Локи соответствует этим предсказаниям, впечатляет.

Крайне важен и другой аспект этой работы. Однозначно показано, что Локи — ближайший родственник эукариот среди известных архей. Эти результаты не оставляют сомнений в том, что эукариоты происходят, так сказать, из гущи архейного разнообразия.

Таким образом, предположение, что эукариоты происходят от общего предка с археями, а не именно от определённой группы архей, не просто создаёт ненужную новую сущность — оно неверно. Открытие Локи, можно сказать, покончило с этой гипотезой.

Именно сочетание этих двух аспектов — открытие ближайшего родственника эукариот среди архей и демонстрация сложной внутриклеточной организации этого организма — делает открытие Локи настоящим прорывом в изучении происхождения эукариот. Bridge or no bridge, так сказать».

Источник: https://kot.sh/statya/210/nashli-predkov-vseh-eukariot

Происхождение эукариот | Биология

Расцвет эукариот на Земле начался около 1 млрд лет назад, хотя первые из них появились намного раньше (возможно 2,5 млрд лет назад). Происхождение эукариот могло быть связано с вынужденной эволюцией прокариотических организмов в атмосфере, которая стала содержать кислород.

Симбиогенез — основная гипотеза происхождения эукариот

Существует несколько гипотез о путях возникновения эукариотических клеток. Наиболее популярная — симбиотическая гипотеза (симбиогенез).

Согласно ей, эукариоты произошли в результате объединения в одной клетке разных прокариот, которые сначала вступили в симбиоз, а затем, все более специализируясь, стали органоидами единого организма-клетки.

Читайте также:  Кефир и живые бактерии – полезно ли это для организма человека?

Как минимум симбиотическое происхождение имеют митохондрии и хлоропласты (пластиды вообще). Произошли они от бактериальных симбионтов.

Клеткой-хозяином мог быть относительно крупный анаэробный гетеротрофный прокариот, похожий на амебу. В отличие от других, он мог приобрести способность питаться путем фаго- и пиноцитоза, что позволяло ему захватывать других прокариот. Они не все переваривались, а снабжали хозяина продуктами своей жизнедеятельности). В свою очередь, получали от него питательные вещества.

Митохондрии произошли от аэробных бактерий и позволили клетке-хозяину перейти к аэробному дыханию, которое не только намного эффективней, но и облегчает существование в атмосфере, содержащей достаточно большое количество кислорода. В такой среде аэробные организмы получают преимущество над анаэробными.

Позже в некоторых клетках поселились похожие на ныне живущих синезеленых водорослей (цианобактерий) древние прокариоты. Они стали хлоропластами, дав начало эволюционной ветви растений.

Кроме митохондрий и пластид симбиотическое происхождение могут иметь жгутики эукариот. В них превратились симбионты-бактерии наподобие современных спирохет, имеющих жгутик. Считается, что в последствии из базальных тел жгутиков произошли центриоли, столь важные структуры для механизма клеточного деления эукариот.

Важно

Эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, пузырьки и вакуоли могли произойти от наружной мембраны ядерной оболочки. С другой точки зрения, некоторые из перечисленных органелл могли возникнуть путем упрощения митохондрий или пластид.

Во многом неясным остается вопрос происхождения ядра. Могло ли оно также образоваться из прокариота-симбионта? Количество ДНК в ядре современных эукариот во много раз превышает его количество в митохондриях и хлоропластах. Возможно часть генетической информации последних со временем переместилась в ядро. Также в процессе эволюции происходило дальнейшее увеличение размера ядерного генома.

Кроме того в симбиотической гипотезе происхождения эукариот не все так однозначно с клеткой-хозяином. Им мог и не быть один вид прокариот. Используя методы сравнения геномов, ученые делают вывод, что клетка-хозяин близок к археям, при этом сочетает в себе признаки архей и ряда неродственных групп бактерий.

Отсюда можно сделать вывод, что появление эукариот происходило в сложном сообществе прокариот. При этом процесс скорее всего начался с метаногенной археи, вступавшей в симбиоз с другими прокариотами, что было вызвано необходимостью обитания в кислородной среде.

Появление фагоцитоза способствовало притоку чужих генов, а ядро образовалось для защиты генетического материала.

Молекулярный анализ показал, что различные белки эукариот происходят от разных групп прокариот.

Доказательства симбиогенеза

В пользу симбиотического происхождения эукариот говорит то, что митохондрии и хлоропласты имеют собственную ДНК, причем кольцевую и не связанную с белками (также обстоит дело у прокариот). Однако в генах митохондрий и пластид есть интроны, чего нет у прокариот.

Пластиды и митохондрии не воспроизводятся клеткой с нуля. Они образуются из ранее существующих таких же органелл путем их деления и последующего роста.

В настоящее время существуют амебы, у которых нет митохондрий, а вместо них есть бактерии симбионты. Также есть простейшие, сожительствующие с одноклеточными водорослями, выполняющими в клетке-хозяине роль хлоропластов.

Инвагинационная гипотеза происхождения эукариот

Кроме симбиогенеза существуют и другие взгляды на происхождение эукариот. Например, инвагинационная гипотеза. Согласно ей, предком эукариотической клетки был не анаэробный, а аэробный прокариот. К такой клетке могли прикрепляться другие прокариоты. Потом их геномы объединялись.

Ядро, митохондрии и пластиды возникли путем впячивания и отшнуровывания участков клеточной мембраны. В эти структуры попадала чужеродная ДНК.

Усложнение генома происходило в процессе дальнейшей эволюции.

Инвагинационная гипотеза происхождения эукариот хорошо объясняет наличие двойной мембраны у органелл. Однако она не объясняет, почему система биосинтеза белка в хлоропластах и митохондриях сходна с прокариотической, в то время как таковая в ядерно-цитоплазматическом комплексе имеет ключевые отличия.

Причины эволюции эукариот

Все разнообразие жизни на Земле (от простейших до покрытосеменных и млекопитающих) дали клетки эукариотического, а не прокариотического типа. Возникает вопрос, почему? Очевидно, ряд особенностей, возникших у эукариот, существенно повысили их эволюционные возможности.

Во-первых, у эукариот есть ядерный геном, который во много раз превосходит количество ДНК у прокариот. При этом эукариотические клетки диплоидны, кроме этого в каждом гаплоидном наборе определенные гены многократно повторяются.

Все это обеспечивает, с одной стороны, большие масштабы для мутационной изменчивости, а с другой — уменьшает угрозу резкого снижения жизнеспособности в результате вредной мутации.

Совет

Таким образом, эукариоты, в отличие от прокариот, обладают резервом наследственной изменчивости.

Эукариотические клетки имеют более сложный механизм регуляции жизнедеятельности, у них существенно больше различных регуляторных генов. Кроме того, молекулы ДНК образовали комплексы с белками, что позволило наследственному материалу упаковываться и распаковываться.

Все вместе это дало возможность считывать информацию частями, в разных сочетаниях и количестве, в разное время. (Если в клетках прокариот транскрибируется почти вся информация генома, то в эукариотических клетках обычно менее половины.

) Благодаря этому эукариоты могли специализироваться, лучше приспосабливаться.

У эукариот появились митоз, а затем и мейоз. Митоз позволяет воспроизводить генетически сходные клетки, а мейоз сильно увеличивает комбинативную изменчивость, что ускоряет эволюцию.

Большую роль в процветании эукариот сыграло приобретенное их предком аэробное дыхание (хотя оно есть и у многих прокариот).

На заре своей эволюции эукариоты обзавелись эластичной оболочкой, обеспечивавшей возможность фагоцитоза, и жгутиками, позволившими им двигаться. Это дало возможность эффективней питаться.

Источник: https://biology.su/evolution/symbiogenesis

Археи и бактерии из Австралии возрастом 3,5 млрд лет доказывают, что жизнь на Земле появилась раньше, чем предполагалось

Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Висконсинского университета в Мадисоне привели убедительные доказательства, что найденные в Западной Австралии окаменелости действительно имеют органическое происхождение.

Учитывая возраст породы в 3,5 млрд лет это означает, что жизнь на Земле появилась раньше этого срока. Формация Apex Chert в Западной Австралии — одни из самых древних и наилучшим образом сохранившиеся отложений горных пород в мире.

Образцы были собраны в 1982 году, микроископаемые впервые описаны в 1993 году, но в 2017 году группа американских учёных (Уильям Шопф, Анатолий Кудрявцев и др.

) применила новую технику сложного химического анализа с помощью вторичного ионного масс-спектрометра и окончательно доказала, что микроскопические структуры в кремнезёме (на фотографии) имеют органическое происхождение. На данный момент эти ископаемые микроорганизмы — самые древние, которые удалось найти палеонтологам.

В исследовании описаны 11 микробных образцов пяти разных таксонов, а их морфологическое строение связано с химическими структурами, которые характерны для жизни. Некоторые из микроископаемых созданы вымершими бактериями, а также микроорганизмами из домена археи — это одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра или каких-либо мембранных органелл.

На фотографии — одно из микроископаемых возрастом 3,5 млрд лет, найденных в горной формации Западной Австралии. Масштаб на схеме: 10 мкм

Микроископаемые из Западной Австралии впервые описаны в научной статье в журнале Science в 1993 году. Авторы той работы — профессор палеобиологии Уильям Шопф и его группа. Сейчас профессор возглавляет Центр изучения эволюции и происхождения жизни при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. В 1982 году во время группа Шопфа провела экспедицию в формацию Apex Chert в Западной Австралии и собрала образцы.
Формация Apex Chert, где нашли ископаемые Учёные затем внимательно изучили собранные фрагменты скаполитов. Они знали, что искать — и на нескольких камнях нашли микроскопические окаменелости необычной формы. В данном случае у них была цилиндрическая и нитевидная форма, которая намекала на органическое происхождение окаменелостей. Их называют микроископаемыми, потому что они не видны человеческому глазу. Изучить останки древней фауны можно под микроскопом. Свою первую работу профессор опубликовал в 1993 году, а дополнительные доказательства — в 2002 году. И первая, и вторая работа стали предметом споров в научном сообществе: некоторые критики говорили, что это просто минералы странной причудливой формы, которые выглядят словно остатки живых существ.
Эпоксидное крепление с обломком камня возрастом 3,5 млрд лет из месторождения в Западной Австралии Профессор продолжил работу. Потребовалось 10 лет, чтобы разработать технологию и процедуру для тщательного и точного анализа, разработки протоколов, настройки инструментов и подготовки образцов — камни нужно было аккуратно разрезать, чтобы проявить наружу микроскопические структуры, которые находились на разной глубине, не нарушив их структуру.

Обратите внимание

Окаменелости изучили при помощи вторичного ионного масс-спектрометра (ВИМС) под названием IMS 1280, разработанного в Висконсинском университете в Мадисоне. Этот инструмент способен разделить углерод ископемых на изотопы и измерить их отношения.

Различные органические вещества — в скалах, микроорганизмах и животных — содержат характерные соотношения их устойчивых изотопов. С помощью ВИМС учёные разделили углерод-12 и углерод-13 и обнаружили, что различия в соотношениях изотопов коррелируют с формой окаменелостей. Это можно объяснить только биологической природой окаменелостей.

Более того, информация о соотношении изотопов позволила определить установить виды живых организмов.

Как уже сказано, некоторые ископаемые принадлежат археям. Другие схожи с современными микроорганизмами. Исследование также содержит рассуждения учёных насчёт того, как эти существа могли выжить в свободной от кислорода атмосфере Земли того времени: бактерии-фототрофы питались солнечной энергией, археи производили метан, а гамма-протеобактерии потребляли метан. Таким образом, результаты исследований устраняют последние сомнения, что окаменелости в камнях возрастом 3,5 млрд лет действительно оставлены живыми существами.

«Думаю, в этом споре можно поставить точку», — говорит Уильям Шопф.

Итак, согласно последним открытиям палеобиологов и геологов, мы знаем, что жидкие океаны на Земле существовали уже 4,3 млрд лет назад (через 250 млн лет после формирования Земли), а несколько таксонов микроорганизмов — 3,5 млрд лет назад. Причём всё указывает на то, что жизнь могла существовать и 4,3 млрд лет назад, но у учёных пока нет прямых доказательств этому.

Научная статья “SIMS analyses of the oldest known assemblage of microfossils document their taxon-correlated carbon isotope compositions” опубликована 18 декабря 2017 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (doi: 10.1073/pnas.1718063115, pdf, сопроводительные материалы).

Источник: https://habr.com/post/374105/

Физик, подаривший биологам царство

Как физик навел порядок в микробиологии, как было свергнуто «двоецарствие» в микромире, как РНК ловили с поличным по «отпечаткам пальцев», как рибосомы получили скелет и где у бактерий сэндвичи и бутерброды, рассказывает сегодняшний выпуск «Истории науки».

Примерно 70 лет назад американский студент немецкого происхождения изучал физику и математику в Амхерстском колледже в штате Массачусетс. Тогда еще никто не знал, что в будущем он перевернет представления о мире живого.

Молодой человек год изучал биохимию в качестве дополнительного курса, но, как сам признавался, «не испытывал никакого интереса к растениям и животным».

Но тут один из его преподавателей по физике, Уильям Фейрбанк, разглядел талант студента и предложил ему соединить биологию с физикой, поступив на биофизику в Йель.

Будучи аспирантом, Карл занимался вирусами – искал пути их разрушения с помощью тепла и ионизирующего излучения, чему и посвятил свою кандидатскую. Но вирусы даже живыми назвать нельзя в прямом смысле этого слова.

На древе жизни им не выделяют собственных ветвей – так и существуют они без царства (и без домена — то есть, надцарства), хотя в их защиту выступает группа ученых, в том числе, открывшие гигантский клоснойвирус, у которого есть некоторые элементы для самостоятельного синтеза белка, а не только инструкция в генетическом коде.

Но все же четвертое надцарство в наши дни – это что-то из области фантастики. Однако во времена молодости Везе их и вовсе было только два.

Важно

Прошли века после того, как все меньшее, чем мы можем увидеть, считали «анималькулями», преимущественно насылающими на нас болезни и портящими продукты. Даже сам Левенгук уже начал понимать, как важны и полезны бывают микроорганизмы даже для пищевой промышленности: кисломолочными продуктами и поднимающимся тестом мы тоже обязаны им. Позже антропоцентрический взгляд сместился на более широкую перспективу: микроорганизмы обитают повсюду, населили Землю задолго до развития многоклеточности и значат они для круговорота веществ на планете много больше, чем все остальные, вместе взятые.

Изучая внутреннее строение клеток, исследователи разделили их на содержащие ядро (эукариоты) и не имеющие его (прокариоты, буквально – «доядерные»). Эукариоты, более близкие и «понятные» нам, были более систематизированы. Неудивительно: чтобы начать классифицировать хотя бы самых больших из них, не нужен был ни микроскоп, ни умение читать геномы. Прокариотам – группе, которую раньше считали синонимичной группе бактерий, повезло меньше: они выглядели как свалка всего, что однозначно живое (в отличие от вирусов), но не имеет ядра (в отличие от эукариот). Но чтобы представить масштабы этой несуразности, нужно было владеть соответствующими методами, которых до середины XX века не существовало.

Читайте также:  Как и когда происходит заселение детских бактерий в желудок и кишечник

Что могли сделать ученые для классификации того, что и увидеть не так просто? Одним из методов стало предложение красить бактерии разными способами и смотреть на них в световой микроскоп. Эта нехитрая методика, придуманная датским биологом Хансом Христианом Грамом, неожиданно попала в цель. Часть бактерий красилась генцианвиолетом, который не смывался спиртом, остальные можно было сделать розовыми с помощью сафранина (название пошло от арабского слова «шафран»).

Источник: https://indicator.ru/article/2017/07/15/fizik-podarivshij-biologam-carstvo/

8. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МЕМБРАН И МЕМБРАННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Попробуем теперь путем сравнения бактерий и архей узнать структуру мембран их общего предка. Мембраны современных бактерий состоят из фосфолипидов — сложных эфиров глицерола, двух остатков жирной кислоты и одного фосфатного остатка.

К фосфатному остатку присоединяется обычно полярная группа: этаноламин, холин, аминокислота серин или многоатомный спирт инозитол. Гидрофобные хвосты жирных кислот образуют средний слой мембраны, а полярные остатки глицерола, фосфата и вспомогательных полярных групп — наружный и внутренний слои.

Мембраны архей устроены в принципе похоже, но на другой химической основе. Их липиды имеют в качестве гидрофобной части терпеновые спирты, например геранилгераниол. Их углеводородные цепочки несут метильные группы через каждые четыре атома.

Эти спирты простыми эфирными связями присоединяются к глицерол-фосфату, к фосфатному остатку так же присоединены полярные головки, такие же, как у бактерий. Глицерол-фосфат архей тоже отличается от бактериального — у архей используется другой его оптический изомер.

Строение мембранных липидов бактерий (сверху) и архей (снизу). В качестве полярной группы показан этаноламин.

Таким образом, сравнение современных мембран ничего нам не дает для понимания их общего предкового состояния — все основные компоненты отличаются до полной несовместимости.

Мы можем только сказать, что древние мембраны, если они вообще были у LUCA, сильно отличались от всех современных.

Совет

Если привлечь данные геномики, то подтверждается, что липидные мембраны у LUCA все-таки были: многие трансмембранные белки, такие как мембранная АТPаза и система секреции белков III типа, были еще у LUCA, что очевидно требует наличия мембран.

Другой информации о мембранах LUCA практически не было до 2012 года, когда Дарья Диброва, аспирантка уже не раз упомянутого здесь Мулкиджаняна, сделала подробный анализ истории генов всех ферментов биосинтеза всех компонентов липидов бактерий, архей и эукариот.

Приведем таблицу с ее результатами:

Ферменты

Археи

Бактерии

Гомология

Ферменты пути мевалоновой кислоты (биосинтез терпенов)

+

+

Гомологичны. У бактерий терпеновые остатки входят, например, в состав хинонов и хлорофилла

Ферменты синтеза жирных кислот

+

У архей отсутствуют, эукариотические получены горизонтальным переносом от бактерий

Глицерол-1-фосфат-синтаза

+

редко

Бактериальная глицерол-1-фосфат синтаза не участвует в синтезе мембранных липидов и скорее всего перенесена горизонтально от архей

Глицерол-3-фосфат-синтаза

редко

+

Архейная глицерол-3-фосфат синтаза, получена недавним горизонтальным переносом от бактерий, функции неизвестны.

Геранилгеранил-глицеролфосфат-синтаза (пришивание первого терпенового хвоста)

+

редко

Есть только у нескольких семейств бактерий > горизонтальный перенос

Дигеранилгеранил-глицеролфосфат-синтаза (пришивание второго терпенового хвоста)

+

Входит в большое семейство, другие ферменты которого пришивают терпеноспирты к хинонам, хлорофиллу и другим ароматическим соединениям. Семейство было у LUCA, но этого конкретного фермента не было

Цитидиндифосфат-диглицерид-синтаза (1 шаг пришивания полярных голов)

+

+

Гомологичен у всех трех доменов жизни, был у LUCA

Ферменты обмена цитидиндифосфата на полярные головы

+

+

Разные полярные головы пришиваются родственными ферментами. У LUCA были как минимум серин-специфические, пришивание холина и инозитола возникло после разделения бактерий и архей

Из таблицы видно, что LUCA мог 1) синтезировать терпеноспирты и 2) пришивать полярные головы к спиртам. Ни синтез глицеролфосфата, ни синтез жирных кислот не были ему доступны.

Следовательно, проще всего предположить, что липиды LUCA состояли из одного остатка терпенового спирта и полярной группы (вероятнее всего, серин). Подобные липиды были синтезированы искусственно.

Обратите внимание

Образующиеся из них мембраны, по сравнению с современными, обладают высокой подвижностью, текучестью и хорошо пропускают ионы металлов.

Мембранные электрохимические процессы используются для синтеза АТР у громадного большинства современных организмов.

В общем виде процесс выглядит так: ферментные комплексы электрон-транспортных цепей проводят окислительно-восстановительные реакции, сопряженные с переносом ионов водорода через мембрану изнутри наружу.

Затем ионы водорода входят в клетку через специальную мембранную АТРазу, которая сопрягает движение протонов с синтезом АТР. Кроме того, тот же электрохимический протонный градиент используется для транспорта молекул в клетку и для вращения бактериальных жгутиков. Компоненты электрон-траспортных цепей очень разнообразны, подстраиваются к условиям обитания клетки и их гены подвержены горизонтальному переносу. Мембранные АТРазы более консервативны.

Строение двух типов мембранных АТРаз и анимация их работы (Mulkidjanian et al., 2008)

Они делятся на два семейства: F и A/V, которые несколько отличаются по набору субъединиц. F-ATPазы встречаются у бактерий, в митохондриях и пластидах эукариот, тогда как A/V — у архей и в вакуолярной системе эукариот.

Мембранные АТРазы обратимы — в зависимости от градиента протонов они могут как впускать протоны в клетку с синтезом АТР, так и откачивать из клетки с гидролизом АТР. Во втором режиме обычно работают вакуолярные A/V АТРазы, закисляющие среду в лизосомах.

Молекулы обоих семейств состоят из мембранной вращающейся части — кольца из 10-15 мелких С-субъединиц, неподвижной части («статора»), заякореной в мембране и выступающей в цитоплазму (a, b и delta субъединицы F-семейства, a, E, G, F субъединицы A/V семейства), цитоплазматического «ротора» из трех А и трех В субъединиц и стебелька из gamma и epsilon субъединиц. Протоны связываются двумя карманами «статора» – по одному с каждой стороны мембраны, и чтобы пройти мембрану, должны, связавшись с С-субъединицей, ждать поворота C-кольца на 1 субъединицу. Это единственный путь от внутреннего кармана статора к наружному. Молекулы ATР связываются между A и В субъединицами цитоплазматического «ротора», активный АТРазный центр образуется в контакте со статором. Таким образом, на один оборот молекулы через мембрану переносится от 10 до 15 протонов (по числу C-субъединиц) и синтезируется либо гидролизуется 3 молекулы АТР.

Важно

Основные субъединицы АТРазы и их взаимное расположение похожи на систему секреции белков III типа. Эта общая для бактерий и архей система активно выделяет белки из клетки, развернув их до альфа-спирального состояния, с затратой АТР и вращением цитоплазматического ротора.

А и В субъединицы ротора так же обладают более далеким, но достоверным сходством с хеликазами семейства Rho и белком RecA. Эти белки образуют кольца из 6 одинаковых субъединиц, которые вращаются вокруг ДНК, расплетая ее с затратой АТР. Таким образом, мембранная АТРаза происходит от древнего семейства вращающихся АТРаз с разнообразными функциями.

Субъединицы двух групп АТРаз гомологичны между собой, за исключением стебелька ротора. Между стебельками F и A/V семейств нет ничего общего. Поскольку стебелек необходим для передачи вращения между С-кольцом и АВ-кольцом, то есть для сопряжения ионного транспорта с синтезом АТР, это означает, что общий предок F и A/V АТРаз не мог сам быть ион-движущей АТРазой.

Скорее всего, два семейства АТРаз возникли независимо из системы секреции белков, когда выделяемый белок застревал в ней и начинал передавать вращение.

У ряда бактерий и архей мембранные АТРазы впускают в клетку не протоны, а ионы натрия. Соответственно, комплексы дыхательной цепи тоже откачивают наружу натрий вместо протонов, жгутик вращается натриевым градиентом, и мембранные транспортеры тоже работают на натрии.

Первые открытые обладатели натриевой энергетики обитают в экстремальных условиях: при высокой температуре или в сильнощелочной среде, и замена протонов на натрий считалась хорошей адаптацией к этим условиям.

Однако дальше были открыты бактерии с натриевой энергетикой в самых разных экологических нишах, включая морскую воду и кишечник животных.

Некоторые бактерии имеют и натриевую, и протонную АТРазу, два типа комплексов электрон-транспортной цепи и в разных условиях могут переключаться между натриевой и протонной энергетикой.

Совет

На филогенетическом дереве АТРаз оказывается, что натрий-специфические ферменты занимают самые нижние ветви в обоих семействах, что указывает на их древность.

Второй аргумент в пользу древности натриевой энергетики — устройство ион-связывающих сайтов С-субъединиц.

Каждый натриевый сайт образован пятью аминокислотами, атомы кислорода которых точно окружают ион натрия, заменяя молекулы воды в его гидратной оболочке.

Протонные сайты же устроены очень по-разному и похожи на поврежденные мутациями варианты натриевого сайта. Причем варианты протонных сайтов хорошо согласуются с отдельными ветвями протонных АТРаз на дереве.

Третий аргумент следует из происхождения АТРазы из системы секреции. Мембранные С-субъединицы системы секреции тоже связаны друг с другом ионами натрия.

Четвертый аргумент связан с мембранными липидами.

Дело в том, что мембраны из описаных в начале главы липидов, как у бактерий, так и у архей, не способны удерживать протонный градиент, протоны просачиваются через них, рассеивая энергию в тепло.

Такие мембраны зато вполне герметичны для ионов натрия. Чтобы сделать мембраны герметичными для протонов, бактерии и археи добавляют в них разные специальные липиды:

Протон-изолирующие добавки в мембранах бактерий и архей. (Haines, 2001)

Наиболее распространены у бактерий дополнительные липиды с разветвленными концами жирных кислот. У некоторых гипертермофилов, таких как Bacillus acidocaldarius, на концах жирных кислот находятся еще более объемные циклогексановые кольца.

Обратите внимание

Многие группы алкалифильных (живущих в щелочных условиях) бактерий содержат в мембранах терпеновый углеводород сквален. Ацидофильные бактерии, живущие в среде с pH ниже 1, используют плоские циклические терпены — гопаноиды, отдаленно напоминающие стеролы эукариот.

Наконец, у архей для создания протононепроницаемых мембран в дело идут дифтаниловые липиды — продукты восстановления двойных связей в обычных терпеновых липидах архей, кроме того, концы гидрофобных хвостов липидов двух сторон мембраны могут химически сшиваться.

Проще предположить, что сначала у прокариот существовали более простые по составу мембраны, а протононепроницаемость возникла позже.

Протонный энергетический цикл имеет важное приемущество по сравнению с натриевым: перенос протонов через мембрану легко сопрягается почти с любой окислительно-восстановительной реакцией. Протон-движущие комплексы электрон-транспортной цепи гораздо разнообразнее, чем натриевые.

Натриевые электрон-транспортные цепи не работают, например, с молекулярным кислородом. Зато существуют не окислительно-восстановительные натриевые насосы, например, пирофосфатазные и декарбоксилазные, что означает возможность мембранной энергетики без электрон-траспортных цепей.

Сравнение возможностей натриевой и протонной мембранной энергетики (Mulkidjanian et al., 2008)

Схема эволюции мембран и мембранной энергетики (Mulkidjanian et al., 2008)

Подводим итоги: общий предок бактерий и архей имел примитивные мембраны, вероятнее всего — с однохвостыми липидами из терпенового спирта и полярной головки, без глицерола. Эти мембраны пропускали протоны и ионы металлов, но задерживали белки и РНК, поэтому для управляемого выделения белков во внешнюю среду возникли системы секреции.

После разделения линий бактерий и архей у них независимо возникли мембраны из липидов с двумя гидрофобными хвостами, непроницаемые для ионов металлов. Выход из исходных геотермальных местообитаний в моря, с их высокой концентрацией натрия, потребовал создания систем откачки натрия из клеток.

Важно

Так появились натриевые насосы, использующие энергию разных химических реакций. Затем в системе секреции белка застрял секретируемый продукт, превратив ее в Na-движущую АТРазу, и создаваемый химическими насосами натриевый градиент стал частично расходоваться на синтез АТР. Это независимо произошло в линиях бактерий и архей.

Далее, по мере освоения сильнокислых и сильнощелочных местообитаний, появились протононепроницаемые мембраны, а мутация Na-ATPазы превратила ее в протонную, что тоже сначала могло быть адаптацией к сильнокислой среде.

После этого появление протонных комплексов дыхательной цепи (возможно — сначала в другой линии прокариот, как альтернативное приспособление к сильнокислой среде) породило протонную энергетику, которая благодаря разнообразию используемых редокс-реакций в значительной степени вытеснила натриевую.

Литература:

Haines, T.H., 2001. Do sterols reduce proton and sodium leaks through lipid bilayers? Prog. Lipid Res. 40, 299–324.

Mulkidjanian, A.Y., Galperin, M.Y., Koonin, E.V., 2009. Co-evolution of primordial membranes and membrane proteins. Trends Biochem. Sci 34, 206–215.

Mulkidjanian, A.Y., Galperin, M.Y., Makarova, K.S., Wolf, Y.I., Koonin, E.V., 2008. Evolutionary primacy of sodium bioenergetics. Biol. Direct 3, 13.

Источник: https://users.livejournal.com/-hellmaus-/120714.html

Ссылка на основную публикацию