Ve dvacátém století molekulární biologie zjistila, že všechny živé organismy mají stejné makromolekuly nesoucí informaci (DNA, RNA a bílkoviny) a stejný genetický kód pro přenos informací mezi těmito molekulami. Tato jednota živého světa ukazuje na společný původ, na předka, který měl všechny tyto vlastnosti. Jako poklona Lucy byl tento společný předek nazván LUCA (zkratka pro Last Universal Common Ancestor – poslední univerzální společný předek) na mezinárodním sympoziu, které v roce 1996 uspořádala ve Francii nadace Fondation des Treilles. S využitím dat ze srovnávací genomiky, tehdy vznikajícího oboru založeného na sekvenování organismů patřících do tří oblastí živého světa (archea, bakterie a eukaryota), se tato vědecká komunita pustila do rekonstrukce charakteristik LUCA. V loňském roce se na Fondation des Treilles konalo nové fórum, jehož cílem bylo oslavit dvacáté výročí pojmenování LUCA, zhodnotit data shromážděná od roku 1996 a načrtnout první obrys tohoto předka.
Je však třeba nejprve vyjasnit časté nedorozumění: LUCA, která žila před více než třemi miliardami let, nebyla první buňkou, která se na naší planetě objevila. Srovnávací genomika prokázala existenci tří molekul RNA a 34 ribozomálních1 proteinů společných všem živým organismům, a tedy i LUCA. Vzhledem k jejich složitosti se tyto molekuly mohly objevit až po dlouhém období evoluce. LUCA tedy musela sdílet planetu s mnoha dalšími organismy vzniklými ve stejném časovém rozpětí. Její současníci však nezanechali žádné potomky, což však neznamená, že nám nepředali určité geny, stejně jako to udělali Denisované a neandrtálci s našimi předky Homo sapiens. Paralelu lze vést také mezi LUCA a africkou Evou, poslední matkou společnou všem moderním ženám: Ani Eva nebyla první ženou Homo sapiens a nežila v té době v Africe sama.
Dvě větve, stejný strom
Srovnávací genomika u ribozomů také odhalila, že kromě 34 univerzálních proteinů obsahují moderní ribozomy velké množství proteinů jedinečných pro bakterie, archea a/nebo eukaryota. Jednou z jejich pozoruhodných vlastností je, že jsou buď specifické pro jednu ze tří domén, nebo jsou společné pro archea a eukaryota. V průběhu evoluce byly tedy tyto proteiny získány ve dvou oddělených liniích: jedna vedla od LUCA k bakteriím a druhá od LUCA k archeím a eukaryotům.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. Obecně řečeno, srovnání molekulárních mechanismů u archeí a bakterií ukázalo, že v každém případě musely být tyto procesy u LUCA podstatně jednodušší než u moderních buněk a že ke zvyšování složitosti docházelo nezávisle na sobě na jedné straně u bakterií a na druhé straně u archeí a eukaryot.
LUCA pravděpodobně postrádala ultrasložitější molekulární komplexy, které se vyskytují u moderních organismů a které jim například umožňují velmi efektivně vyrábět energii. Stejně tak byl její genom pravděpodobně ještě tvořen RNA a je možné, že DNA a její replikační mechanismy se mohly objevit dvakrát nezávisle, možná z velmi starých virových linií. O přítomnosti virů v době LUCA dnes svědčí existence hlavních virových rodin, jejichž příslušníci infikují buď bakterie, archea, nebo eukaryota.
Chladný (nebo vlažný) předek
Objev archeí žijících při velmi vysokých teplotách původně naznačoval, že samotná LUCA byla hypertermofilníFermerHypertermofilové jsou archea, jejichž optimální růstová teplota je rovna nebo vyšší než 80 °C (definice německého mikrobiologa Karla Stettera, který jako první popsal většinu těchto mikroorganismů). Rekonstrukce některých sekvencí jejich předků, kterou provedl tým CNRS z Lyonu pod vedením Manola Gouy2 , ukázala, že tomu tak pravděpodobně není. Práce téhož týmu však ukazuje, že předkové bakterií i archeí žili při vysokých teplotách. Jak se tedy mohla studená (nebo vlažná) LUCA vyvinout v horké předky bakterií a archeí? Předložil jsem myšlenku, že organismy v obou doménách se mohly vyvinout do svých současných forem přizpůsobením se stále vyšším teplotám. Tento posun tedy mohl sehrát zásadní roli při vzniku živého světa, který známe dnes.
We have yet to understand the emergence of eukaryotes, organisms whose cells—unlike archaea and bacteria—have a nucleus and organelles such as mitochondria (responsible for respiration) and chloroplasts (responsible for photosynthesis). Populární hypotéza předpokládá, že eukaryota pocházejí z archeí, které endosymbiózou asimilovaly bakterie, z nichž jsou odvozeny mitochondrie. V roce 2015 oznámil tým ze Švédska objev Lokiarchaeota, který by mohl být chybějícím článkem mezi archei a eukaryoty. Práce našeho týmu nicméně ukázala, že tento závěr byl zkreslen několika metodickými artefakty. Dáváme přednost teorii, že eukaryota nevzešla přímo z archeí, ale mají s nimi společného předka. Některé rysy eukaryot tak mohly existovat v LUCA a následně se ztratily v archeích a bakteriích.
Bez stroje času zůstane nakreslení portrétu LUCA a určení podoby univerzálního stromu života ještě dlouho kontroverzní otázkou. Neustálý přísun čerstvých dat ze srovnávací genomiky však možné scénáře stále více zužuje. Sledujte tento prostor!
Analýzy, názory a stanoviska vyjádřené v této části jsou názory autorů a nemusí nutně vyjadřovat postoj nebo politiku CNRS.
- 1. Zjistěte, jaká je situace v této oblasti. Ribosomy jsou velmi složité buněčné součásti, které syntetizují bílkoviny pomocí informace nesené RNA nebo DNA.
- 2. Jaké jsou jejich vlastnosti? Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).