Nature丨首次在实验室培养获得稳定且高度丰富的阿斯加德古菌

构成人体以及所有植物、动物和许多单细胞生物的复杂细胞最初是如何形成的？神秘的古细菌似乎掌握着这些秘密。大多数科学家认为古细菌是生命的第三个领域，它不同于细菌和真核生物，后者是包括人类在内的进化分支。

阿斯加德古菌（Asgard）是近期发现的一个新的古菌超门（superphylum），以北欧神话中众神的居所命名。阿斯加德古菌本身不携带细胞核，但它们确实包含一套基因和蛋白质，这些基因和蛋白质曾被认为是真核生物所独有的。多方面证据显示，真核生物可能起源于阿斯加德古菌。

探讨这一问题是当前国际生命科学研究的前沿热点。

2020 年，日本的一个研究小组报告说，经过 12 年的工作，他们在实验室中成功培育出了一种阿斯加德古菌 ——Prometheoarchaeum syntrophicum，但该生物体内部结构的细节仍然难以捉摸。

该研究未获得完全成功的原因是，想要在实验室中获得稳定且高度丰富的阿斯加德古菌培养物并不容易。首先，古细菌生长缓慢，例如，大肠杆菌每 20 分钟左右复制一次，而 P. syntrophicum 是每 14 到 25 天复制一次；其次，阿斯加德古菌细胞的触手很长，因此非常脆弱，很难在生长瓶之间进行转移，或者染色后放在显微镜下研究。

(来源：Nature)

根据 12 月 21 日 发表在 Nature 上的一份新报告，研究人员培育了一种名为 Lokiarchaeum ossiferum 的阿斯加德古菌，并拍摄了 L. ossiferum 的内部结构以详细研究。这是科学家们首次在实验室中培养出足够数量的阿斯加德古菌。相关文章以题“Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon”发表在 Nature 上。Martin Pilhofer 和 Christa Schleper 为文章的共同通讯作者。Christa Schleper 是维也纳大学古细菌生态与进化实验室负责人。

耗时 6 年，可利用经验培养其他阿斯加德古菌

据了解，这项研究中的标本取自斯洛文尼亚皮兰海岸的一条运河中的泥浆。

鉴于阿斯加德古菌细胞在实验室中难以培养，文章的第一作者 Thiago Rodrigues-Oliveira 设计了一种方法，可以让它们以足够高的浓度进行生长，从而为冷冻电子断层扫描 (cryo-ET) 创建样本，这种技术可以将快速冷冻的样本倾斜并通过电子显微镜从多个角度观察开发合成图像。

但是该团队培养的样本还包含另外两种微生物，所以在做成像研究之前，需要从中将阿斯加德古菌筛选出来。

2020 年，佐治亚理工学院的地球微生物学家 Jennifer Glass 注意到，深海沉积物中阿斯加德古菌中的核糖体比其他原核生物甚至许多真核生物中的核糖体大得多，借助这一特征，研究人员花了 36 个小时将其中的阿斯加德古菌找了出来。

此次发现的新阿斯加德菌在基因上与之前分离出的菌株有很大的不同，因此被归为一个单独的属，暂且命名为 Lokiarchaeum ossiferum。与其他阿斯加德古菌相比，L. ossiferum 的生长速度相对较快，其细胞数量在 7 到 14 天内翻了一番。

▲图丨Loki-B35 的富集和培养（来源：Nature）

根据图像能够观察到，L. ossiferum 也有触须，但在触须上有增稠物和小气泡；它的细胞壁也很复杂，有微小的棒棒糖状结构伸出来；它还包含与真核细胞的细胞骨架或支撑支架中所见非常相似的结构丝。

Christa Schleper 的团队报告说，它的基因组比其他培养的阿斯加德菌的更大，并且具有更多的真核基因，它的 DNA 包括蛋白质肌动蛋白的四个基因，肌动蛋白是真核细胞内部骨架的关键组成部分。该骨架延伸到整个细胞并进入触手，并且它因细胞而异，表明它能够重新排列。

▲图丨暂定种 L. ossiferum 的复杂多变的结构（来源：Nature）

“我们的研究表明，对于真核生物至关重要的‘真核’细胞骨架最先在古细菌内部出现，这意味着它在第一个真核细胞出现之前就已经进化了，”Schleper 解释说，“我们花了六年时间才获得稳定且高度丰富的培养物，之后还可以利用这一经验进行许多生化研究，并培养其他阿斯加德古菌。”

真核生物起源再添证据，仍有不同争论

“此项研究中观察到的 L. ossiferum 的 ‘表面突起’ 可能支持这样一种观点，即在进化史上的某个时刻，阿斯加德古菌利用其膜的类似延伸抓住了一种经过的细菌，并将细菌吸入其细胞体，导致了细胞核的发育。”英国医学研究委员会（MRC）分子生物学实验室细菌细胞骨架和其他分子机器研究组组长 Jan Löwe 在针对这项研究的评论中说。

▲图丨Lokiactin 参与细胞骨架的形成（来源：Nature）

日本海洋地球科学与技术机构的微生物学家 Hiroyuki Imachi 赞同这一说法并表示，这项研究进一步证实了我们的祖先是古细菌。

2021 年 6 月，中国深圳大学高等研究院李猛教授团队在 Nature 发表关于阿斯加德古菌研究进展，他们对阿斯加德古菌的 162 个完整或几乎完整的基因组进行了比较分析，大大扩展了阿斯加德古菌的系统发育多样性，将阿斯加德古菌从原有的 6 个门增加到 12 个门，并将其中一个门命名为悟空古菌，进而对真核生物起源于阿斯加德古菌的假设进行了深入的探讨。

但仍有很多学者持不同观点。一些进化生物学家，包括巴斯德研究所的 Patrick Forterre，认为基于比较阿斯加德菌和真核生物的某些基因而构建的家谱不支持阿斯加德菌在真核生物的诞生中发挥如此重要的作用。

去年，杜塞尔多夫海因里希海涅大学（Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf）的进化细胞生物学家 Sven Gould 计算出，阿斯加德菌对第一批真核生物的贡献非常小，只有 0.3% 的蛋白质家族被认为存在于真核生物的共同祖先中。

Sven Gould 同意古细菌和细菌的融合产生了第一批真核生物的普遍观点，但他认为古细菌伙伴与新培养的微生物完全不同。相反，他说，遗传证据指向一个更简单的宿主。在 11 月 10 日发表于 eLife 的一篇论文中，Gould 及其同事提出，正是这些细胞内细菌的存在对古细菌的细胞过程造成了新的压力，从而刺激了真核生物特征的进化，例如细胞核被称为高尔基体的膜网络和内部隔间，甚至是性的进化。

瓦赫宁根大学环境微生物学家 Thijs Ettema 也指出，根据他的团队和其他人的 eDNA 采样，迄今为止已表征的两种阿斯加德菌只代表了该群体多样性的一小部分。最近的研究表明真核生物从阿斯加德菌的一个特定分支中分离出来。此外，阿斯加德菌和真核生物的最后一个共同祖先很可能与迄今为止表征的两种阿斯加德菌非常不同。因此，他和其他人正在尝试培养和描述其他阿斯加德菌。