Древние предки эукариот научились дышать кислородом до симбиоза с бактериями

Происхождение эукариотической клетки остается одной из главных загадок биологии. Долгое время господствовала модель, согласно которой анаэробная архея, жившая в бескислородных условиях, поглотила аэробную бактерию, ставшую впоследствии митохондрией.

Считается, что именно этот союз обеспечил предков эукариот энергией для создания цитоскелета и сложной системы внутреннего транспорта. Однако дефицит данных о диких асгард-археях мешал проверить, какими метаболическими способностями обладали эти микробы до начала симбиоза.

Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, проанализировали пробы морских осадков из залива Бохайвань у берегов Китая и глубоководного бассейна Гуаймас в Калифорнийском заливе. Ученые обработали 10 терабайт данных секвенирования и восстановили 869 метагеномно-собранных геномов асгард-архей. Это почти вдвое превышает объем всех накопленных ранее знаний об этой группе. Особое внимание ученые уделили классу Heimdallarchaeia и отряду Hodarchaeales, которые считаются наиболее близкими родственниками современных эукариот.

Чтобы определить функции обнаруженных белков, применили нейросеть AlphaFold2. Она предсказала трехмерную структуру ферментов и подтвердила их участие в энергетических процессах. Биологи также сопоставили генетические профили микробов с экологическими параметрами мест их обитания, чтобы выяснить, в каких условиях современные потомки архейного предка чувствуют себя лучше всего.

Анализ показал, что у группы Hodarchaeales присутствует полный набор генов для работы дыхательной цепи. Эти микробы способны самостоятельно синтезировать гем и нейтрализовать токсичные побочные продукты дыхания. Также в геномах нашли регуляторный белок CoxD, который у современных эукариот управляет сборкой дыхательных комплексов.

Выяснилось, что современные асгард-археи населяют не только лишенные воздуха глубоководные разломы, но и обычные прибрежные осадки с умеренным содержанием кислорода. Строение их мембранных гидрогеназ указывает на наличие субъединиц, которые повышают эффективность синтеза АТФ. Согласно молекулярным моделям, адаптация к кислороду в этой линии могла начаться за 50 миллионов лет до кислородной катастрофы, когда уровень O2 на планете стал расти из-за деятельности цианобактерий.

Результаты исследования означают, что архея-хозяин была метаболически сложнее и автономнее, чем предполагали ранние модели эукариогенеза. Кислородное дыхание, вероятно, появилось у предков эукариот еще на досимбиотической стадии. Высокая энергетическая отдача от использования кислорода послужила топливом для раннего усложнения клетки, а последующее поглощение митохондрии лишь усилило уже существующие аэробные возможности организма.