Eukaryotes: เรื่องราวของบรรพบุรุษ Archaeal

การจัดกลุ่มแบบดั้งเดิมของสิ่งมีชีวิตออกเป็นโปรคารีโอตและยูคารีโอตได้รับการแก้ไขในปี 1977 เมื่อลักษณะลำดับ rRNA เปิดเผยว่าอาร์เคีย (จากนั้นเรียกว่า 'อาร์คีแบคทีเรีย') ''มีความเกี่ยวข้องอย่างห่างเหินกับแบคทีเรียพอๆ กับที่แบคทีเรียมีต่อยูคารีโอต'' การจัดกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่จำเป็นนี้จำเป็น เข้าไปในยูแบคทีเรีย (ประกอบด้วยแบคทีเรียทั่วไปทั้งหมด) อาร์เคีย และยูคาริโอต คำถามเกี่ยวกับต้นกำเนิดของยูคาริโอตยังคงอยู่ ในเวลาต่อมา หลักฐานต่างๆ เริ่มสร้างขึ้นเพื่อสนับสนุนบรรพบุรุษของยูคาริโอต สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือการค้นพบว่า Asgard archaea มียีน eukaryotic signature proteins (ESPs) หลายร้อยยีนในจีโนมของพวกมัน ESPs มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาโครงร่างโครงร่างเซลล์และลักษณะโครงสร้างเซลล์ที่ซับซ้อนของยูคาริโอต ในการศึกษาที่ก้าวล้ำซึ่งเผยแพร่เมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2022 นักวิจัยได้รายงานความสำเร็จในการเพาะเลี้ยงแอสการ์ดอาร์เคียที่เข้าใจยากซึ่งเข้าใจยาก ซึ่งพวกเขาถ่ายภาพโดยใช้การตรวจเอกซเรย์อิเล็กตรอนด้วยความเย็น พวกเขาสังเกตว่าเซลล์แอสการ์ดมีโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างโครงร่างใหม่ นี่เป็นหลักฐานทางภาพโดยตรงครั้งแรกของบรรพบุรุษของยูคาริโอตซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับต้นกำเนิดของยูคาริโอต  

จนกระทั่งปี 1977 รูปแบบสิ่งมีชีวิตบนโลกถูกจัดกลุ่มเป็น ยูคาริโอ (รูปแบบที่ซับซ้อนซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยการรวมสารพันธุกรรมของเซลล์เข้าไปในนิวเคลียสที่กำหนดไว้อย่างดีและการมีอยู่ของโครงร่างโครงร่าง) และโปรคาริโอต (รูปแบบชีวิตที่เรียบง่ายกว่าด้วยสารพันธุกรรมในไซโตพลาสซึมโดยไม่มีนิวเคลียสที่ระบุ รวมถึงแบคทีเรียและอาร์คีแบคทีเรีย) นึกว่าเป็นเซลล์ ยูคาริโอ วิวัฒนาการมาเมื่อประมาณ 2 พันล้านปีก่อน อาจมาจากโปรคาริโอต แต่ยูคาริโอตมีต้นกำเนิดมาได้อย่างไร? รูปแบบชีวิตเซลล์ที่ซับซ้อนเชื่อมโยงกับรูปแบบชีวิตเซลล์ที่เรียบง่ายกว่าอย่างไร? นี่เป็นคำถามเปิดใหญ่ในวิชาชีววิทยา  

ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในอณูชีววิทยาของยีนและโปรตีนช่วยเจาะลึกถึงแก่นของปัญหา เมื่อในปี พ.ศ. 1977 อาร์เคีย (จากนั้นเรียกว่า 'อาร์คีแบคทีเรีย') ถูกพบว่าเป็น ''มีความเกี่ยวข้องกับแบคทีเรียอย่างห่างไกลเช่นเดียวกับแบคทีเรีย ยูคาริโอ. '' ความแตกต่างก่อนหน้านี้ของสิ่งมีชีวิตในรูปแบบโปรคาริโอตและยูคาริโอตนั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างทางฟีโนไทป์ที่ระดับออร์แกเนลล์ของเซลล์ ความสัมพันธ์ทางสายวิวัฒนาการควรอยู่บนพื้นฐานของโมเลกุลที่มีการกระจายอย่างกว้างขวางแทน Ribosomal RNA (rRNA) เป็นชีวโมเลกุลชนิดหนึ่งที่มีอยู่ในระบบที่จำลองตัวเองได้ทั้งหมด และลำดับของการเปลี่ยนแปลงน้อยมากตามเวลา การวิเคราะห์ตามลักษณะลำดับ rRNA จำเป็นต้องจัดกลุ่มสิ่งมีชีวิตให้เป็นแบคทีเรียชนิดยูแบคทีเรีย (ประกอบด้วยแบคทีเรียทั่วไปทั้งหมด) เคียและยูคาริโอต¹.  

ต่อมาหลักฐานของความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดระหว่างอาร์เคียและยูคาริโอตเริ่มปรากฏให้เห็น ในปี 1983 พบว่า RNA polymerases ที่ขึ้นกับ DNA ของอาร์เคียและ ยูคาริโอ เป็นประเภทเดียวกัน ทั้งสองแสดงคุณสมบัติทางอิมมูโนเคมีที่คล้ายคลึงกันอย่างมาก และทั้งสองได้มาจากโครงสร้างบรรพบุรุษร่วมกัน². การศึกษาอื่นที่ตีพิมพ์ในปี 1989 อ้างอิงจากต้นไม้สายวิวัฒนาการที่อนุมานได้ของคู่โปรตีน ซึ่งเผยให้เห็นความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดระหว่างอาร์เคียกับยูคาริโอตมากกว่ายูแบคทีเรีย³- โดยในครั้งนี้มีต้นกำเนิดมาจากโบราณคดี ยูคาริโอ ก่อตั้งขึ้น แต่ยังคงมีการระบุและศึกษาสายพันธุ์โบราณคดีที่แน่นอน  

การเติบโตในการศึกษาจีโนมหลังจากประสบความสำเร็จใน โครงการจีโนมได้มอบสิ่งจำเป็นมากให้กับบริเวณนี้ ระหว่างปี 2015-2020 มีงานวิจัยหลายชิ้นพบว่าแอสการ์ด เคีย มียีนจำเพาะของยูคาริโอต จีโนมของพวกมันอุดมไปด้วยโปรตีนที่ถือว่าจำเพาะต่อยูคาริโอต การศึกษาเหล่านี้ระบุอย่างชัดเจนว่า Asgard Archaea มีความใกล้ชิดทางพันธุกรรมกับยูคาริโอตมากที่สุดเนื่องจากมียีนโปรตีนลายเซ็นยูคาริโอต (ESP) หลายร้อยยีนในจีโนมของพวกมัน  

ขั้นตอนต่อไปคือการแสดงภาพโครงสร้างห้องใต้ดินภายในของ Asgard archaea เพื่อยืนยันบทบาทของ ESP ซึ่งถือกันอย่างกว้างขวางว่า ESP มีบทบาทสำคัญในการก่อตัวของโครงสร้างเซลล์ที่ซับซ้อน สำหรับสิ่งนี้ จำเป็นต้องมีวัฒนธรรมที่ได้รับการเสริมคุณค่าอย่างสูงของอาร์เคียแห่งนี้ แต่แอสการ์ดเป็นที่รู้กันดีว่าลึกลับและลึกลับ ทำให้เกิดความยากลำบากในการเพาะให้ได้ปริมาณมากพอที่จะศึกษาในห้องปฏิบัติการ จากการศึกษาที่รายงานเมื่อวันที่ 21 ธันวาคม พ.ศ. 2022 ความยากลำบากนี้ได้ผ่านพ้นไปแล้ว  

หลังจากหกปีของการทำงานอย่างหนัก นักวิจัยได้ใช้เทคนิคแบบด้นสด และประสบความสำเร็จในการบ่มเพาะในห้องทดลองCandidatus Lokiarchaeum ossiferum'ซึ่งเป็นสมาชิกของไฟลัมแอสการ์ด นี่เป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งเพราะสิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถเห็นภาพและศึกษาโครงสร้างเซลล์ภายในของ Asgard    

มีการใช้การตรวจเอกซเรย์ด้วยไครโออิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพวัฒนธรรมการเพิ่มคุณค่า เซลล์แอสการ์ดมีเซลล์คอคคอยด์และมีส่วนที่ยื่นออกมาเป็นกิ่งก้าน โครงสร้างผิวเซลล์มีความซับซ้อน Cytoskeleton ขยายไปทั่วร่างกายของเซลล์ เส้นใยเกลียวคู่ที่บิดเบี้ยวประกอบด้วย Lokiactin (ได้แก่ แอกตินที่คล้ายคลึงกันซึ่งเข้ารหัสโดย Lokiarchaeota) ดังนั้นเซลล์แอสการ์ดจึงมีโครงร่างโครงร่างที่ซับซ้อนซึ่งมีพื้นฐานจากแอกติน ซึ่งนักวิจัยเสนอว่าเกิดขึ้นก่อนวิวัฒนาการของเซลล์แรก ยูคาริโอ.  

ในฐานะที่เป็นหลักฐานทางกายภาพ/ภาพที่เป็นรูปธรรมชิ้นแรกของบรรพบุรุษของยูคาริโอต นี่เป็นความก้าวหน้าที่โดดเด่นในด้านชีววิทยา

*** 

อ้างอิง:  

1. Woese CR และ Fox GE, 1977 โครงสร้างสายวิวัฒนาการของโดเมนโปรคาริโอต: อาณาจักรหลัก เผยแพร่พฤศจิกายน 1977 PNAS 74 (11) 5088-5090. ดอย: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  

2. ฮิวต, เจ., อัล et พ.ศ. 1983 อาร์คีแบคทีเรียและยูคาริโอตมีพอลิเมอเรส RNA ที่ขึ้นกับ DNA ซึ่งเป็นชนิดทั่วไป EMBO J. 2, 1291–1294 (1983) ดอย: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  

3. อิวาเบะ เอ็น อัล et 1989. ความสัมพันธ์เชิงวิวัฒนาการของอาร์คีแบคทีเรีย, ยูแบคทีเรีย, และยูคาริโอตที่อนุมานจากต้นไม้สายวิวัฒนาการของยีนที่ซ้ำกัน โพรซี ณัฐพล อคาเดมี วิทย์ สหรัฐอเมริกา 86, 9355–9359 ดอย: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  

4. โรดริเกซ-โอลิเวรา ที., อัล et. พ.ศ. 2022 โครงร่างไซโตสเกเลตอนของแอกตินและสถาปัตยกรรมเซลล์ที่ซับซ้อนในอาคีออนของแอสการ์ด เผยแพร่: 21 ธันวาคม 2022 ธรรมชาติ (2022). ดอย: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

***