Under 1900-talet fastställde molekylärbiologin att alla levande organismer delar samma informationsbärande makromolekyler (DNA, RNA och proteiner) och samma genetiska kod för att överföra information mellan dessa molekyler. Denna enhetlighet i den levande världen pekar på ett gemensamt ursprung, en förfader som hade alla dessa egenskaper. Med anledning av Lucy fick den gemensamma förfadern namnet LUCA (akronym för Last Universal Common Ancestor) vid ett internationellt symposium som anordnades i Frankrike av Fondation des Treilles 1996. Med hjälp av data från komparativ genomik, en då ny disciplin som bygger på sekvensering av organismer som tillhör den levande världens tre områden (arkéer, bakterier och eukaryoter), försökte detta forskarsamhälle rekonstruera LUCA:s egenskaper. Förra året hölls ett nytt forum vid Fondation des Treilles för att fira tjugoårsdagen av namngivningen av LUCA, granska de uppgifter som samlats in sedan 1996 och skissera en första skiss av denna förfader.
Men ett vanligt missförstånd bör först undanröjas: LUCA, som levde för över tre miljarder år sedan, var inte den första cellen som uppstod på vår planet. Jämförande genomik har visat att det finns tre RNA-molekyler och 34 ribosomal1-proteiner som är gemensamma för alla levande organismer och därmed också för LUCA. Med tanke på deras komplexitet kan dessa molekyler bara ha dykt upp efter en lång utvecklingsperiod. LUCA måste därför ha delat planeten med många andra organismer som uppkommit under samma tidsperiod. Dess samtida varelser har dock inte lämnat några ättlingar efter sig, vilket inte betyder att de inte har lämnat över vissa gener till oss, precis som denisovanerna och neandertalarna gjorde med våra förfäder, Homo sapiens. En parallell kan också göras mellan LUCA och den afrikanska Eva, den sista moder som är gemensam för alla moderna kvinnor: Eva var inte heller den första Homo sapiens-kvinnan, och hon levde inte heller ensam i Afrika på den tiden.
Två grenar, samma träd
Komparativ genomik i ribosomer har också avslöjat att moderna ribosomer utöver de 34 universella proteinerna innehåller ett stort antal proteiner som är unika för bakterier, arkéer och/eller eukaryoter. En av deras anmärkningsvärda egenskaper är att de antingen är specifika för en av de tre domänerna eller delas av arkéer och eukaryoter. Under evolutionens gång har dessa proteiner därför förvärvats i två separata linjer: en som leder från LUCA till bakterierna och en som leder från LUCA till arkéer och eukaryoter.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. I stort sett har jämförelser av molekylära mekanismer i arkéer och bakterier visat att dessa processer i samtliga fall måste ha varit betydligt enklare i LUCA än i moderna celler, och att den ökande komplexiteten skedde oberoende av varandra i bakterier å ena sidan och i arkéer och eukaryoter å andra sidan.
LUCA saknade troligen de ultrasofistikerade molekylära komplex som finns i moderna organismer och som till exempel gör det möjligt för dem att producera energi på ett mycket effektivt sätt. På samma sätt bestod dess genom förmodligen fortfarande av RNA, och det är möjligt att DNA och dess replikationsmekanismer kan ha dykt upp två gånger oberoende av varandra, kanske från mycket gamla viruslinjer. Förekomsten av virus på LUCA:s tid bevisas idag av att det finns stora virusfamiljer vars medlemmar infekterar antingen bakterier, arkéer eller eukaryoter.
En kall (eller ljummen) förfader
Fyndet av arkéer som lever vid mycket höga temperaturer tydde till en början på att LUCA själv var en hypertermofilFermerHypertermofiler är arkéer vars optimala tillväxttemperatur är lika med eller högre än 80°C (definierat av den tyske mikrobiologen Karl Stetter, som var den förste att beskriva de flesta av dessa mikroorganismer)…. Rekonstruktionen av några av dess förfäders sekvenser av en CNRS-grupp i Lyon under ledning av Manolo Gouy2 visade att detta troligen inte var fallet. Samma grupps arbete visar dock att förfäderna till både bakterier och arkéer levde vid höga temperaturer. Hur skulle då en kall (eller ljummen) LUCA kunna ha utvecklats till de varma förfäderna till bakterier och arkéer? Jag har lagt fram idén att organismer inom båda områdena kan ha utvecklats till sina nuvarande former genom att anpassa sig till allt högre temperaturer. Denna förändring kan därför ha spelat en avgörande roll för bildandet av den levande värld vi känner till i dag.
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). En populär hypotes är att eukaryoter härstammar från en arké som genom endosymbios tog till sig den bakterie som mitokondrierna härstammar från. År 2015 tillkännagav ett team från Sverige upptäckten av Lokiarchaeota, som skulle kunna vara den saknade länken mellan arkéer och eukaryoter. Vårt teams arbete har ändå visat att denna slutsats var snedvriden på grund av flera metodologiska artefakter. Vi föredrar teorin att eukaryoter inte härstammar direkt från arkéer utan delar en gemensam förfader med dem. Vissa egenskaper hos eukaryoter kan således ha funnits i LUCA och därefter gått förlorade i arkéer och bakterier.
Och utan en tidsmaskin kommer det länge att vara kontroversiellt att teckna ett porträtt av LUCA och bestämma formen på livets universella träd. Det ständiga flödet av nya data från komparativ genomik begränsar dock alltmer de möjliga scenarierna. Titta här!
De analyser, åsikter och synpunkter som uttrycks i detta avsnitt är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis CNRS:s ståndpunkt eller politik.
- 1. Ribosomer är mycket komplexa cellkomponenter som syntetiserar proteiner med hjälp av information som bärs av RNA eller DNA.
- 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).