W dwudziestym wieku biologia molekularna ustaliła, że wszystkie żywe organizmy mają te same makromolekuły przenoszące informacje (DNA, RNA i białka) oraz ten sam kod genetyczny do przekazywania informacji między tymi molekułami. Ta jedność świata żywego wskazuje na wspólne pochodzenie, na przodka, który posiadał wszystkie te cechy. Jako ukłon w stronę Lucy, wspólny przodek został nazwany LUCA (akronim od Last Universal Common Ancestor) podczas międzynarodowego sympozjum zorganizowanego we Francji przez Fondation des Treilles w 1996 roku. Wykorzystując dane z genomiki porównawczej, rodzącej się wówczas dyscypliny opartej na sekwencjonowaniu organizmów należących do trzech domen świata żywego (archaea, bakterie i eukarionty), ta społeczność badawcza podjęła się rekonstrukcji cech LUCA. W zeszłym roku w Fondation des Treilles odbyło się nowe forum, na którym uczczono dwudziestą rocznicę nadania nazwy LUCA, dokonano przeglądu danych zebranych od 1996 roku i nakreślono wstępny zarys tego przodka.
Na początek należy wyjaśnić częste nieporozumienie: LUCA, która żyła ponad trzy miliardy lat temu, nie była pierwszą komórką, która pojawiła się na naszej planecie. Genomika porównawcza wykazała istnienie trzech cząsteczek RNA i 34 białek rybosomalnych1 wspólnych dla wszystkich żywych organizmów, a więc także dla LUCA. Biorąc pod uwagę ich złożoność, cząsteczki te mogły się pojawić dopiero po długim okresie ewolucji. LUCA musiała więc dzielić planetę z wieloma innymi organizmami powstałymi w tym samym czasie. Jednak jej współcześni nie pozostawili po sobie potomków, co nie znaczy, że nie przekazali nam pewnych genów, podobnie jak Denisowianie i Neandertalczycy naszym przodkom Homo sapiens. Można również dokonać analogii pomiędzy LUCA a afrykańską Ewą, ostatnią matką wspólną dla wszystkich współczesnych kobiet: Ewa nie była pierwszą kobietą Homo sapiens, ani też nie żyła samotnie w Afryce w tym czasie.
Dwie gałęzie, to samo drzewo
Genomika porównawcza rybosomów ujawniła również, że oprócz 34 uniwersalnych białek, współczesne rybosomy zawierają dużą liczbę białek unikalnych dla bakterii, archaidów i/lub eukariotów. Jedną z ich niezwykłych cech jest to, że są one albo specyficzne dla jednej z trzech domen, albo wspólne dla archaii i eukariotów. W toku ewolucji białka te zostały więc nabyte w dwóch odrębnych liniach: jednej prowadzącej od LUCA do bakterii, a drugiej od LUCA do archaidów i eukariontów.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. Ogólnie rzecz biorąc, porównanie mechanizmów molekularnych u archaea i bakterii wykazało, że w każdym przypadku procesy te musiały być znacznie prostsze w LUCA niż we współczesnych komórkach, a rosnąca złożoność występowała niezależnie z jednej strony u bakterii, a z drugiej u archaea i eukariotów.
LUCA prawdopodobnie nie posiadała ultra-wyrafinowanych kompleksów molekularnych występujących u współczesnych organizmów, które na przykład umożliwiają im bardzo wydajną produkcję energii. Podobnie, jej genom prawdopodobnie nadal składał się z RNA, a możliwe jest, że DNA i mechanizmy jego replikacji mogły pojawić się dwukrotnie niezależnie, być może z bardzo dawnych linii wirusowych. O obecności wirusów w czasach LUCA świadczy dziś istnienie głównych rodzin wirusów, których członkowie zakażają bakterie, archaidy lub eukarionty.
Zimny (lub tepidalny) przodek
Odkrycie archaea żyjących w bardzo wysokich temperaturach początkowo sugerowało, że sama LUCA była hipertermofilemFermerHypertermofile to arche, których optymalna temperatura wzrostu jest równa lub wyższa niż 80°C (zdefiniowana przez niemieckiego mikrobiologa Karla Stettera, który jako pierwszy opisał większość tych mikroorganizmów). Rekonstrukcja niektórych sekwencji jego przodków przez zespół CNRS z Lyonu pod kierownictwem Manolo Gouy2 wykazała, że prawdopodobnie tak nie jest. Prace tego samego zespołu dowodzą jednak, że przodkowie zarówno bakterii, jak i archaidów żyli w wysokich temperaturach. Jak zatem zimna (lub wilgotna) LUCA mogła wyewoluować w gorących przodków bakterii i archaidów? Wysunąłem tezę, że organizmy z obu dziedzin mogły rozwinąć się do swoich obecnych form przez przystosowanie się do coraz wyższych temperatur. Ta zmiana mogła zatem odegrać kluczową rolę w formowaniu się świata żywego, jaki znamy dzisiaj.
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). Popularna hipoteza postuluje, że eukarionty wywodzą się od archeana, który na drodze endosymbiozy zasymilował bakterię, z której wywodzą się mitochondria. W 2015 roku zespół ze Szwecji ogłosił odkrycie Lokiarchaeota, który może być brakującym ogniwem pomiędzy archeanami a eukariontami. Praca naszego zespołu wykazała jednak, że wniosek ten był obarczony kilkoma artefaktami metodologicznymi. Preferujemy teorię, że eukarionty nie wywodzą się bezpośrednio od archaidów, ale mają z nimi wspólnego przodka. Pewne cechy eukariontów mogły więc istnieć w LUCA, a następnie zostać utracone przez archeaea i bakterie.
Bez wehikułu czasu, nakreślenie portretu LUCA i określenie kształtu uniwersalnego drzewa życia długo pozostanie kwestią kontrowersyjną. Jednak stały dopływ świeżych danych z genomiki porównawczej coraz bardziej zawęża możliwe scenariusze. Watch this space!
Analizy, poglądy i opinie wyrażone w tej części są autorstwa autorów i niekoniecznie odzwierciedlają stanowisko lub politykę CNRS.
- 1. Rybosomy są bardzo złożonymi elementami komórki, które syntetyzują białka przy użyciu informacji przenoszonych przez RNA lub DNA.
- 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).