Вчені знайшли організм між вірусом і клітиною в океані

У темних водах біля японського узбережжя науковці натрапили на щось, що не повинно існувати за правилами біології, які ми знали досі. Під час секвенування ДНК крихітного морського планктону команда під керівництвом Рьо Харади з Університету Далхаузі виявила несподіваний фрагмент генетичного матеріалу. Цей фрагмент не відповідав нічому з того, що вони бачили раніше. Виявилося, що це дивний мікроорганізм, який балансує на тонкій межі між вірусом і клітинним життям.

У своєму новому дослідженні вчені описують Candidatus Sukunaarchaeum mirabile. Назва походить від Сукуна — міфологічного японського божества малого зросту, та mirabile, що означає «дивовижний» латиною. «Ця надзвичайна спеціалізація кидає виклик нашому фундаментальному розумінню мінімальних вимог для клітинного життя», — написали дослідники.

Щоб зрозуміти, чому цей крихітний організм справив такий фурор у науковому світі, потрібно поглянути на його геном. При розмірі лише 238 тисяч пар основ геном Sukunaarchaeum є найменшим серед усіх зареєстрованих архей. Це менше половини розміру попередньо найменшого відомого архейного геному. Для порівняння, деякі віруси мають набагато більше генетичного матеріалу. Проте, на відміну від вірусів, які повністю захоплюють механізми своїх господарів, Sukunaarchaeum несе деякі власні інструменти реплікації.

«Його геном глибоко спрощений, позбавлений практично всіх впізнаваних метаболічних шляхів і переважно кодує механізми для свого реплікативного ядра: реплікації ДНК, транскрипції та трансляції», — написали автори у своєму дослідженні. У нього є гени для рибосом, тРНК та мРНК. Ці компоненти є каркасом життя — інструментами, за допомогою яких клітини читають свої геноми та будують білки. У вірусів їх немає, але у цієї археї вони є.

Це робить його еволюційним парадоксом — організмом, який може реплікувати свій генетичний код, але в іншому майже повністю залежить від свого господаря. Він не виробляє власну їжу і не сприяє виживанню свого господаря, на відміну від симбіотичних бактерій, які обмінюються поживними речовинами. Sukunaarchaeum, здається, просто подорожує разом.

Відкриття тисне на крихкий паркан, який наука побудувала навколо того, що визначає життя. Віруси зазвичай виключаються з категорії, оскільки вони не можуть розмножуватися або здійснювати метаболізм самостійно. Клітини, з іншого боку, можуть. Sukunaarchaeum робить якраз достатньо, щоб потрапити серед клітин, але ледь-ледь. Він може представляти найближчу клітинну сутність, виявлену на сьогодні, яка наближається до вірусної стратегії існування.

Його геном лазерно зосереджений на одній речі — реплікації. З 189 генів, що кодують білки, понад половина присвячена читанню та копіюванню ДНК. Майже жоден не служить іншим біологічним функціям. Це, як кажуть дослідники, «життєздатна клітина, яка, здається, зведена до свого реплікативного ядра».

Це не те, що роблять навіть найбільш мінімальні симбіотичні бактерії. Наприклад, Carsonella ruddii, яка живе всередині комах, що живляться соком, має подібно крихітний геном. Але навіть вона зберігає гени для виробництва енергії та амінокислот. Sukunaarchaeum цього не робить.

Навіть його походження є загадкою. Філогенетичні дерева розміщують Sukunaarchaeum як «глибоко розгалужений» член домену Архея — домену, який включає екстремофілів і дав початок еукаріотам, групі, що включає рослини, гриби та тварин. Але він не належить до жодного відомого типу.

Залежно від використовуваної обчислювальної моделі, він може бути найближчим до таємничих Nanobdellati або, можливо, Halobacteriota. Обидві групи відомі своїми малими геномами та швидкою еволюцією. Але філогенетичні дерева не погоджуються, а статистична підтримка будь-якого точного розміщення слабка.

Це може бути лінія сама по собі. Гілка на дереві життя, яку він займає, настільки довга і настільки ізольована, що може представляти повністю нову основну групу архей.

Команда виявила Sukunaarchaeum, занурившись глибоко в генетичний суп морської планктонної клітини під назвою Citharistes regius. Клітина походила з вод біля Шімоди, Японія, і була частиною дослідження мікроскопічної спільноти, яку вона приймає.

Серед звичайних підозрюваних, таких як ціанобактерії та протеобактерії, був таємничий геном. Пізніше виявилося, що це повне коло ДНК від Sukunaarchaeum.

Щоб підтвердити, що це не випадковість, дослідники звернулися до глобального проекту Tara Oceans, який досліджує мікробне життя океану. Там теж вони знайшли генетичні відбитки Sukunaarchaeum, але лише у фракції зразків, пов'язаних з більшими одноклітинними еукаріотами.

Це свідчить про те, що Sukunaarchaeum та його родичі живуть на або всередині більших планктонних господарів. Малоймовірно, що вони вільно плавають в океані. Але що вони роблять зі своїми господарями — друг, ворог чи нахлібник — залишається відкритим питанням.

Це не перший раз, коли вчені знаходять організм, який порушує правила. Протягом останніх двох десятиліть нові методи метагеноміки виявили парад раніше невідомих мікробів. Деякі з них — як архея DPANN або бактерії Candidate Phyla Radiation — вже змусили біологів перемалювати мікробне дерево життя.

Але Sukunaarchaeum інший. Він практично танцює на межі між життям і вірусом. Він живе, але ледь-ледь. Він реплікується, але робить мало що інше. Він несе архітектуру клітини, але поводиться як вірус. Він піднімає тривожну можливість: що різниця між життям і не-життям може бути не чистим розривом, а континуумом.

«Відкриття Sukunaarchaeum штовхає звичайні межі клітинного життя», — заключила команда, — «і підкреслює величезну недосліджену біологічну новизну в межах мікробних взаємодій».

Коли вчені продовжують досліджувати приховані мережі мікробного життя — всередині клітин, через океани та в ґрунті під нашими ногами — організми як Sukunaarchaeum пропонують нагадування: живий світ набагато дивніший, ніж ми уявляли.

Дослідження було опубліковано на сервері препринтів bioRxiv.