Der menschliche Körper besteht aus eukaryotischen Zellen, die einen Zellkern, DNA in Chromosomen verpackt und interne Kompartimente aufweisen. Im Gegensatz dazu besitzen Bakterien und Archaeen einfachere Zellstrukturen.
Jahrelang lehrten Lehrbücher einen „Drei-Reiche“-Baum des Lebens, der Bakterien, Archaeen und Eukaryoten auf drei Ästen abbildete. Neue DNA-Beweise haben Forscher jedoch zu einem „Zwei-Reiche“-Baum geführt, bei dem Archaeen und Eukaryoten viel enger zusammen sitzen.
Innerhalb der Archaeen zeichnet sich ein Cluster, die Asgard-Archaeen, aus, da er einige der ungewöhnlichsten bekannten Archäen-Genome enthält. Frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass diese Gruppe möglicherweise in der Nähe der Linie der Eukaryoten sitzt, die schließlich komplexe Zellen wie die unseren hervorgebracht hat.
Eukaryoten sind komplexe Organismen, deren Zellen einen Zellkern enthalten – zu dieser Gruppe gehören alle Pflanzen, Tiere, Insekten und Pilze. Diese Hinweise führten zu einem Rätsel über die Abstammung: Das Team wollte wissen, welche Asgard-Linie unsere Zellen hervorgebracht hat, wie sich ihr Genom verändert hat und welchen Lebensstil dieser Vorfahr hatte.
„Welche Ereignisse führten dazu, dass Mikroben sich zu Eukaryoten entwickelten?“ sagte Brett Baker, außerordentlicher Professor für integrative Biologie und Meereswissenschaften an der University of Texas in Austin (UT Austin). „Das ist eine große Frage. Die Entdeckung dieses gemeinsamen Vorfahren ist ein bedeutender Schritt, um das zu verstehen.“
Asgard-Archaeen wachsen selten in Labor-Kulturen, daher suchte das Team nach ihnen in der Natur. Sie sammelten Proben aus heißen Quellen, tiefseehydrothermalen Schlote, marinen Sedimenten und anderen Sedimenten an elf Standorten. Das Team schöpfte Schlamm und Mineralablagerungen, extrahierte DNA und verwendete Computer, um diese gemischte DNA in separate Genome, bekannt als metagenomisch zusammengesetzte Genome (MAGs), zu rekonstruieren.
„Stellen Sie sich eine Zeitmaschine vor, nicht um die Welt der Dinosaurier oder antiken Zivilisationen zu erkunden, sondern um tief in die potenziellen metabolischen Reaktionen einzutauchen, die den Beginn komplexen Lebens auslösen könnten“, sagte Valerie De Anda, eine Forscherin in Bakers Labor. „Anstelle von Fossilien oder antiken Artefakten betrachten wir die genetischen Blaupausen moderner Mikroben, um ihre Vergangenheit zu rekonstruieren.“
Das Team fand 63 neue Asgard-Genome aus den Proben, was die bekannte Vielfalt dieser Gruppe dramatisch erweiterte. Innerhalb der Untergruppe Heimdallarchaeia stellten sie fest, dass die Genomgrößen stark variieren und identifizierten eine neue Ordnung, die Hodarchaeales umfasst, darunter einige der größten Genome.
Um zu sehen, wie sich diese Asgarde zueinander und zu uns verhalten, bauten die Forscher evolutionäre Bäume unter Verwendung von Protein-Sets, die zwischen Archaeen und Eukaryoten geteilt werden. Nach der Analyse der Genome von Hunderte von Archaeen, die Mikroben sind, die sich von Bakterien unterscheiden, fanden Forscher von UT Austin und anderen Institutionen heraus, dass Eukaryoten wahrscheinlich aus einem gemeinsamen Vorfahren innerhalb der Asgard-Archaeen entstanden sind.
Nach all den Tests zeigte das immer wieder auftretende Muster, dass Eukaryoten als ein „gut genesteter Klade“ innerhalb der Asgard-Archaeen saßen. In diesen Bäumen bilden eukaryotische Zellen die engste Schwestergruppe zu Hodarchaeales innerhalb von Heimdallarchaeia, was die Idee stützt, dass komplexe Zellen innerhalb des arkaäischen Bereichs entstanden sind, statt von einem separaten Zweig abzuleiten.
Das Team verglich dann Genfamilien über viele archäische Genome hinweg und rekonstruierte, welche genomischen Bestandteile den Vorfahren an verschiedenen Punkten in diesem Baum wahrscheinlich angehörten. Sie fanden heraus, dass die Vorfahren von Asgard-Gruppen, insbesondere Lokiarchaeia und Hodarchaeales, hohe Raten der Gen-Duplikation aufwiesen, während ihre Gen-Verlust-Raten ähnlich oder geringer waren als bei anderen Archaeen.
Infolgedessen tendierten die ancestralen Asgard-Genome dazu, größer zu sein und mehr Proteine zu kodieren als typische archäische Vorfahren. Der Vorfahr von Hodarchaeales hielt wahrscheinlich über 4.000 Proteine im Vergleich zu etwa 3.100 Proteinen, die für den gemeinsamen Vorfahren aller Asgard-Archaeen vorhergesagt werden.
Mit diesem rekonstruierten Geninhalt leiteten die Wissenschaftler ab, wie die Vorfahren lebten. Für den letzten gemeinsamen Vorfahren der Asgard-Archaeen identifizierten sie Gene des Wood–Ljungdahl-Wegs, der es Zellen ermöglicht, anorganische Kohlenstoffverbindungen zur Herstellung organischer Moleküle zu nutzen. Dieses Muster weist auf einen chemolithotrophen Lebensstil hin, der Energie aus anorganischen Chemikalien anstelle von organischer Nahrung bezieht und zeigt Anzeichen, dass dieser Vorfahr sehr hohe Temperaturen bevorzugte, was mit einem hyperthermophilen Ursprung in heißen Umgebungen übereinstimmt.
Sie betrachteten diesen frühesten Vorfahren als einen „Urahn“ und fragten sich, welche Temperatur er bevorzugte und was er aß. Als die Evolution in Richtung Heimdallarchaeia und dann Hodarchaeales voranschritt, verlor die Linie, die zu dem gemeinsamen Vorfahren der Asgard-Archaeen und Eukaryoten führte, den Wood-Ljungdahl-Weg. Diese Linie wechselte dann zu Heterotrophie und gewann Energie aus organischen Verbindungen, vermutlich durch Fermentation.
Der vorhergesagte zentrale Kohlenstoffstoffwechsel in dieser Phase umfasste Wege, die modernen eukaryotischen Zellen sehr ähnlich sind, wie den Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, eine Standardform der Glykolyse, und einen teilweisen oxidativen Pentosephosphat-Weg.
Für den Vorfahren, der uns am nächsten steht, den gemeinsamen Vorfahren von Hodarchaeales und Eukaryoten, deuten die Analysen auf einen mesophilen Lebensstil mit einer optimalen Wachstumstemperatur zwischen typischen Raum- und Körpertemperaturen hin, anstelle von kochend heißem Temperaturniveau. Dieser Vorfahr verwendete eine vollständige Elektronentransportkette und führte anaerobe Atmung unter Verwendung von Nitraten als endgültigen Elektronenakzeptor durch.
Daher könnte unser zellulärer „Großelternteil“ in sauerstoffarmen, aber chemisch reichen Umgebungen gelebt haben und ATP unter Verwendung von Nitraten anstelle von Sauerstoff produziert haben.
„Das ist wirklich aufregend, denn zum ersten Mal blicken wir auf die molekularen Blaupausen des Vorfahren, der die ersten eukaryotischen Zellen hervorgebracht hat“, sagte De Anda. Der Name Hodarchaeales stammt aus der nordischen Mythologie und bezieht sich auf Hod, einen blinden Gott, der dazu verleitet wird, seinen Bruder Baldr zu töten. „Ich mache in meinen Vorträgen immer den Scherz, dass ‚wir alle Asgardianer sind‘“, bemerkte Baker. „Das wird jetzt wahrscheinlich auf meinem Grabstein stehen.“
Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass der Asgard-Vorfahre der Eukaryoten bereits über ein Toolkit verfügte, um Membranen zu formen, Proteine zu transportieren und das Innere der Zelle zu organisieren. „Wir wissen nicht, was diese Gen-Duplikationen konkret in Bezug auf diese Asgards bewirkten“, sagte Baker. „Aber wir wissen, dass Gen-Duplikationen in Eukaryoten zu neuen Funktionen und zu einem Anstieg der zellulären Komplexität führten. Daher glauben wir, dass dies einer der Wege ist, wie Asgards zu den Innovationen führten, die Eukaryoten definieren.“
Wissenschaftler, die Archaeen studieren, haben viele Proteine entdeckt, die einst für Eukaryoten als exklusiv betrachtet wurden. Baker meinte, das wirft die Frage auf: „Welche Funktionen haben diese eukaryotischen Proteine in den Archaeen?“
„Ich denke, dass das Studium dieser einfacheren Lebensformen und ihrer eukaryotischen Charakteristika uns viel über uns selbst sagen wird“, schloss Baker.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Studium der Asgards dabei hilft, zu erklären, wie etwas so Komplexes wie eine menschliche Zelle allmählich aus etwas entstanden sein könnte, das auf den ersten Blick noch wie ein einfaches Mikrobenwesen aussah. Aber hier ist der beste Teil: In der nordischen Mythologie bedeutet es, „Asgardianer“ zu sein, dass Thor ein entfernter Verwandter ist. Und seien wir ehrlich, wer möchte nicht Thor in seinem Stammbaum haben?
Die vollständige Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
