Dansker finder mikroorganismernes missing link

Da mikrobiologen Steffen Leth Jørgensen i 2008 så prøveboret forsvinde under havoverfladen i det nordlige Atlanterhav, anede han ikke, at det ville vende tilbage med en mikroorganisme, der kan give svar på en af livets store gåder: Oprindelsen af alt synligt liv - planter, svampe, dyr og mennesker.

»Det var faktisk helt andre spørgsmål, vi havde,« siger Steffen Leth Jørgensen ved Bergen Universitet i Norge og fortæller, at ekspeditionen skulle kortlægge mikrobesamfund i de næringsrige bundlag omkring undersøiske vulkaner.

Boret bragte masser af mikrober med op, og i 2010 hentede de flere, men først da de kortlagde generne, så de, at de var stødt på noget kæmpestort.

»Min mobil ringede midt under en konference i Tjekkiet,« siger Steffen Leth Jørgensen.

»Det var min samarbejdspartner, Thijs Ettema, som næsten ikke kunne få vejret. Han fremstammede bare: Der er aktingener... aktingenerne, de er der.«

Aktin-gener er 'the missing link'

For udenforstående er det ikke lige til at forstå, at aktingener kan udløse akut åndenød, men sagen er, at de gener slet ikke burde findes i nogen af planetens mest primitive organismer.

Aktin er strukturelle bygningselementer i højerestående celler som vores egne, og det er eksempelvis aktin-filamenter, der gør, at vores muskelceller kan trække sig sammen.

Da forskerne så aktin-generne i prøven, vidste de, at boret måtte have fisket en mikrobe op fra dybet, der kan bygge bro mellem simple encellede og store komplekse organismer. Et 'missing link' man har ledt efter i årtier, som potentielt kan give svar på en af udviklingshistoriens store gåder - hvordan højerestående celler opstod fra simplere forfædre for cirka 2 milliarder år siden.

»Hvis man forestiller sig, hvordan en stamfader ville se ud, så skulle den have sådan og sådan af gener, og vi fandt næsten det hele,« siger Steffen Leth Jørgensen.

Fundet er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Hvor kommer højerestående liv fra?

Alt liv på kloden kan trods livets enorme mangfoldighed grundlæggende inddeles i to typer byggeklodser:

1. Små simple celler uden cellekerne, kaldet prokaryoter.
2. Store komplekse celler med indre strukturer og cellekerne, kaldet eukaryoter.

Siden den berømte biolog Carl Woeses fund i 1970'erne af en helt ny type mikroorganismer, arkæer, har man vidst, at den simple gruppe, prokaryoterne, omfatter to riger: Bakterierne og arkæerne.

De højerestående komplekse celler, eukaryoter, er imidlertid så forskellige i organisation og egenskaber, at det har været meget vanskeligt at forklare, hvordan de skulle være opstået fra en simpel forfader.

Livet har ikke tre, men to hoveddomæner

I de fleste lærebøger finder man cellerne delt i hver deres hoveddomæne: Bakterier, arkæer og eukaryoter. Men på det seneste har et alternativt billede med kun to hoveddomæner - arkæer og bakterier - vundet frem. Her er eukaryoterne i stedet et sekundært domæne, som springer ud af arkæerne, hvilket blandt andet understøttes af gen-analyser og stamtræer.

Det interessante er, at den teori ikke bare giver et helt nyt stamtræ over livet, men også indebærer en forudsigelse om, hvor forfaderen til de højerestående celler skal findes, og hvad en sådan skal indeholde.

Analyserne peger på, at vores forfader tilhører en supergruppe af arkæer kaldet TACK. Hvis analyserne er rigtige, må der findes avancerede mellemstadier eller 'missing links'. Det vil sige simple encellede prokaryoter med 'tilløb' til en indre struktur og organisation som hos komplekse eukaryoter.

Problemet er at ingen har kunnet finde spor af dem - før nu.

En ny mikroorganisme: Lokiarchaeota

Da Steffen Leth Jørgensen og kolleger kortlagde generne fra bundsedimenterne, viste det sig, at mudderet var smækfuldt af en gådefuld gruppe af TACK-arkæer, kaldet Deep-Sea Archaeal Group. 20-30 procent af mikroberne i mudderet var denne type arkæer, og det er derfor en gylden mulighed for at studere dem nærmere.

Det lykkedes ikke at dyrke nogle af dem i laboratoriet, men med avancerede computeralgoritmer kunne forskerne kortlægge DNA'et og samle ét fuldt og to delvise arvematerialer fra organismerne i sedimenterne.

Genomerne afslørede, at der var tale om en hidtil ubeskrevet gruppe arkæer, som forskerne døbte Lokiarchaeota efter det vulkanske spir på havbunden, kaldet 'Loke's slot' nær prøvestedet.

Da de tegnede et stamtræ ud fra variationer i en gruppe langsomt udviklende gener, som alle levende organismer har, viste det sig, at Lokiarchaeota er den hidtil tættest beslægtede prokaryot med os eukaryoter.

»Man kan sige, at de er en søstergruppe til eukaryoterne« siger Steffen Leth Jørgensen.

Mange tegn på slægtskab

Forskerne fandt versioner af en række eukaryote signatur-gener og flere end hos nogen anden prokaryot.

Ud over aktin-generne fandt de også gener, som indgår i komplekse cellers indre transport, gener involveret i komplekse cellers 'genbrugsstationer' og en vifte af små enzymer kaldet GTPaser, der normalt ikke findes i prokaryoter, men hos højerestående celler, der blandt andet er centrale for evnen til at omslutte og fortære mindre celler.

Det sidste anses for et helt afgørende skridt i eukaryoters oprindelse, hvor en forfader menes at have fået en bakteriecelle 'galt i halsen' så bakterien i stedet for at blive fortæret, er blevet optaget som en symbiotisk del af eukaryoter.

Vi kunne for eksempel ikke eksistere uden vores cellers små kraftværker, mitokondrierne, der menes at være opstået på den måde. Det samme gælder planters grønkorn, der står for fotosyntesen.

Arkæer er ikke bakterier

Det er kombinationen af stamtræet, hvor Lokiarchaeota er en søstergruppe til eukaryoter og fundet af de centrale gener fra eukaryoternes værktøjskasse, som overbeviser forskerne om, at her er et 'missing link'.

»Det her er virkelig spændende,« siger professor emeritus Roger Garret, leder af Dansk Archaea Center ved Københavns Universitet.

»Det bestyrker kraftigt, at arkæerne er evolutionært forskellige fra bakterierne og viser, at vi - eukaryoterne - er opstået direkte fra arkæ-lignende organismer og ikke bakterier.«

Også geobiologen Daniel Mills ved Nordic Center for Earth Evolution på Syddansk Universitet er begejstret.

»Det er et meget lovende fund. Metoden viser en testbar vej til at rekonstruere den vært, som er forfader til alle nutidens eukaryoter. Ved forsat at lede efter de tætteste slægtninge til eukaryoter vil vi forhåbentlig indsnævre den enormt brede evolutionære kløft som skiller eukaryot liv fra bakteriers og arkæers,« siger Daniel Mills.

En glubsk forfader

Det eneste forskerne mangler, er at kunne vise et levende eksemplar frem.

»Det er meget irriterende, for vi kan se masser af prokaryote celler i mikroskopet, men selvom vi har prøvet ihærdigt, er det ikke lykkedes os at identificere lige præcis, hvilken af dem, der er Lokiarchaeota,« siger Jørgensen.

Han er sikker på, det nok skal lykkes, og det blot er et spørgsmål om tid, før de tekniske vanskeligheder bliver knækket.

»Det er noget vi rigtig gerne vil, og vi arbejder hårdt på det og på at dyrke dem i laboratoriet, så vi kan nærstudere dem i ren kultur,« siger Steffen Leth Jørgensen.

Ikke desto mindre kan generne allerede indirekte afsløre en masse om organismen:

Der må være tale om en avanceret celle med et indre dynamisk skelet af aktin, som kan flytte små partikler rundt i cellen mellem forskellige indre strukturer. Desuden kan de folde sig rundt om andre celler og æde dem.

Det må siges at være en værdig kandidat til at spejle den celle, vi alle sammen er opstået ud fra for to milliarder år siden. Og kan man det ikke allerede, er nu måske en god lejlighed til at lære at skelne arkæer fra bakterier - bare for at vise en smule respekt for vores allesammens forfader.