日本海洋地球科学技术机构超先进研究开发部高级研究员今町博之（社长：松永是）和米乐m6官方网站生物过程研究部研究员信武胜（社长：中八良二）在日本发现了与真核生物祖先密切相关的微生物深海沉积物。阿基亚 (*1)'')在世界上首次栽培成功。
据说，具有复杂细胞结构的真核生物（人类、植物、鱼类、霉菌等）的祖先是在细胞结构简单的原核生物古菌与同样是原核生物的细菌细胞结合并与之共存时出现的。共生细菌最终进入线粒体。最近的研究预测，一群名为阿斯加德的古细菌最接近真核生物，但它们的存在仅通过环境基因组信息得到证实，其真实性质仍然完全笼罩在神秘之中。
这项研究使用了独特的生物反应器技术 (2011 年 6 月 9 日报道、2015 年 7 月 24 日报道)，我们尝试结合最新的基因分析技术和传统培养技术来培养属于阿斯加德群的古菌。经过12年的研究，我们成功培育出世界上第一个阿斯加德古菌。该古菌以希腊神普罗米修斯的名字命名为Prometheoarchaeum syntropicum MK-D1株（以下简称MK-D1株）。
MK-D1菌株是球形细胞，直径仅为550纳米（约1毫米的1/2000），仅在缺氧环境中生长。它使用氨基酸作为能源，但很明显，生长依赖于其他微生物。基因组分析显示，MK-D1 菌株拥有许多被认为是真核生物特有的基因（例如，产生肌动蛋白和泛素的基因）。尽管拥有这些基因并且与真核生物密切相关，但通过电子显微镜的详细观察发现，MK-D1细胞并不像真核生物那样具有复杂的细胞结构（例如细胞核和高尔基体），而是像其他古细菌一样具有简单的内部结构。另一方面，我们发现 MK-D1 菌株的细胞具有在其他古细菌或细菌中未观察到的复杂形态。典型特征包括在细胞外部形成长触手状突起以及释放许多囊泡。
此外，基于本研究成功培养的MK-D1菌株的细胞结构和生理特征，以及以往有关真核生物起源的研究成果，我们提出了真核生物诞生的新进化理论，描绘了从“在缺氧环境中生长的细胞结构简单的古菌”到“我们细胞结构复杂的真核生物”的路径用氧气呼吸。'' 缠结-吞没-内生 (E3)模型”。
这一结果为“真核生物的起源”提供了许多见解，这是生物学上的一大谜团。未来，通过使用MK-D1菌株的进一步研究以及培养与深海沉积物真核生物密切相关的其他古细菌以及原始单细胞真核生物，预计从古细菌到真核生物的进化路径将变得更加详细。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 JP18687006、JP21687006、JP24687011、JP15H02419、JP19H01005、JP18H03 367、JP26710012、 JP18H02426、JP18H05295、JP16J10845、JP18H04468、JP18K18795、高级生物成像支持平台ABiS（JP16H06280）并得到了国立生理科学研究所联合使用研究（19-504）的支持。
这一成果将于 1 月 16 日（日本时间）发表在英国科学杂志《自然》网络版上。
论文标题：
在原核生物-真核生物界面分离古细菌
（位于原核生物和真核生物边界的古细菌的分离）
作者：今町弘之1*，Masaru K Nobu (Nobuyu)2,1*，中原希1,2,3，诸野由纪1，小河原美雪1，高木义博1，高野芳树4，植松克之5，生田哲郎6，伊藤元雄1，松井洋平4，宫崎正明1，村田和义7，齐藤由美1，酒井早苗1、宋士宖7，田久英二1，山中裕子1，山口隆3，镰形洋一2，玉木英行2，高井实验室1,8
1。日本海洋地球科学技术机构超尖端研究开发部、2米乐m6官方网站生物过程研究部、3长冈工业大学环境与社会基础设施工程系、4日本海洋地球科学技术机构海洋功能利用部、5日本海洋工作株式会社、6日本海洋地球科学技术机构地球环境部、7国立研究所国立生理科学研究所自然科学研究所，8国立自然科学研究所生命创造研究中心
*两位作者对这项工作做出了同等贡献。
成功培育出掌握真核生物诞生关键的微生物“古细菌”
https://wwwyoutubecom/watch?time_continue=18&v=p1Zr4t6Vmtg&feature=emb_logo
真核生物（包括人类和植物）是如何起源于地球的？真核细胞具有复杂的结构，由含有 DNA 的细胞核和许多由蛋白质和脂质膜组成的细胞器组成。具有这种复杂结构的真核生物被认为起源于原核生物（古细菌和细菌），它们具有简单的细胞结构，没有细胞核或细胞器。关于真核细胞的起源，人们提出了各种假说，但被广泛接受的假说是，当古细菌（一种原核生物）将细菌细胞（线粒体的祖先）（也是原核生物）纳入其细胞中并建立共生关系时，就产生了第一个真核生物。然而，迄今为止，尚未发现充当原核生物向真核生物过渡中间体的生物体，这使得验证这一假说变得困难，对真核生物起源的研究也长期停滞不前。
不过，2015 年情况将会发生巨大变化。瑞典的一个研究团队宏基因组分析 (*2)，我们解码了生活在深海沉积物中的一种名为 Lokiarchaeota 的未培养古菌群的基因组，并基于分子系统发育分析，我们认为这群古菌与真核生物关系最密切。为了支持这一说法，我们发现洛基古菌基因组包含许多以前被认为是真核生物特有的基因（例如，与肌动蛋白和内质网运输相关的基因，它们参与真核细胞骨架的形成）。此外，该研究小组通过宏基因组分析发现，另一个与Lokiarchaeota密切相关的古菌群也拥有许多被认为是真核生物特有的基因。包括洛基古菌及其相关古菌群在内的分类群（总门）被命名为阿斯加德总门，以北欧神话中诸神居住的世界命名，该古菌群目前被认为是真核生物起源的有力候选者。然而，由于这组古细菌的存在只能通过环境基因组信息得到证实，因此它们的实际性质（细胞形态、生活方式等）仍然完全笼罩在神秘之中。如果这群古菌确实是真核生物的起源，那么自然就会产生这样的问题：（1）它们是否已经像真核生物一样拥有复杂的细胞结构，有细胞核和细胞器？ （2）如果它们能够将线粒体的祖先细菌带入细胞中，它们是否具有吞噬作用，即从细胞外部将大量物质带入内部的能力？为了回答这些问题，有必要在实验室培养属于阿斯加德门的古细菌并对其进行详细检查。因此，世界范围内对阿斯加德古菌的培育寄予厚望。
另一方面，本文的主要作者 Imachi 先生自 2006 年以来一直在尝试培育阿斯加德古菌，早在 2015 年它们作为真核生物起源而开始引起关注之前。其原因是 Lokiarchaeota（阿斯加德总门之一）主要存在于世界各地的海底沉积物中16S核糖体RNA基因(*3)的遗传分析得知
在这项研究中，2006 年 5 月，载人研究潜水器 Shinkai 6500 从南海海槽（深度 2533 m）的甲烷渗漏带收集了含有多种未培养微生物的深海沉积物，其中包括 Lochiarchaeota（图 1）。将收集到的深海沉积物放入下流式悬挂海绵（DHS）反应器中，在模拟甲烷渗漏区环境的培养条件下培养约2000天。通过基于 16S 核糖体 RNA 基因的遗传分析，我们证实 DHS 反应器中培养了多种未培养的微生物，包括 Lokiarchaeota。接下来，我们准备了数百个含有各种培养基的试管，并尝试分离 DHS 反应器内培养的单个微生物。大约一年后酪蛋白氨基酸（※4）14050_14282加倍时间 (*5)大约14-25天）并且增殖期间的最大细胞密度极低（~105细胞/ml)被揭示。该生长速率和最大细胞密度比研究最充分的模型微生物大肠杆菌低大约 1000 倍。此外，通过FISH方法、电子显微镜、宏基因组分析和使用稳定同位素标记氨基酸的培养实验，揭示了该恶露古菌在缺氧环境中代谢氨基酸，并通过将代谢物产生的氢传递给其他微生物（硫酸盐还原菌和产甲烷古菌）来维持共生关系，从而维持共生关系。最终，在收集深海沉积物 12 年后，《洛基古菌》一书诞生了。产甲烷菌我们成功分离出由两种微生物与产甲烷古菌属组成的纯共培养系统。这种Lokiarchaeota被命名为Prometheoarchaeum syntropicum MK-D1菌株，因为希腊神话中的神普罗米修斯用泥土创造了人类，并且据说给了人类火（通过获得线粒体并能够使用氧气，我们能够使用大量的能量）。
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| 图1从深海沉积物中分离MK-D1菌株的过程。 |
MK-D1菌株是一种厌氧微生物，只能在无氧环境中生长，并且发现它可以利用氨基酸或肽作为能源来生长。使用各种电子显微镜观察详细的细胞结构，结果发现MK-D1株的细胞是直径约550nm（约1mm的1/2000）的小球菌，通过形成细胞聚集的集合体而生长。此外，利用冷冻电子断层扫描和透射电子显微镜对细胞内部结构进行了研究，发现与其他古细菌一样，MK-D1菌株的细胞内部结构简单，这与许多研究人员的预测相矛盾：“阿斯加德古细菌是像真核生物一样具有细胞核和细胞器的复杂细胞。”另一方面，也揭示了MK-D1菌株具有其他古细菌中未观察到的复杂细胞形态。原核生物。一个显着的特征是在细胞外部形成长的、分枝的、触手状的突起（图2）。此外，我们发现许多囊泡被释放到细胞外。我们还研究了构成细胞膜的膜脂分子，这在考虑细胞进化时很重要。结果，MK-D1菌株具有类异戊二烯型膜脂分子结构，与之前已知的古细菌相似。考虑到现有真核生物的细胞膜具有脂肪酸以酯键结合的结构，推测古细菌在进化为真核细胞的过程中，细胞膜脂质从类异戊二烯型转变为脂肪酸型。
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| 图 2 培养的古细菌 MK-D1 菌株的扫描电子显微照片。上面两张照片显示了增殖过程中的细胞形态。它们单独存在或在许多情况下以集合形式存在。下面两张照片显示了增殖末期的细胞形态，产生长的、分枝的触手状突起。白色箭头表示 MK-D1 菌株在细胞外释放的囊泡。 |
自从我们能够培养 MK-D1 菌株以来，我们就能够确定 MK-D1 菌株的全长基因组序列。使用这个全长基因组信息，核糖体蛋白 (*6)基于序列的分子系统发育分析结果表明，MK-D1 菌株与真核生物形成了姐妹群，表明 MK-D1 菌株是与真核生物关系最密切的培养原核生物（图 3）。此外，MK-D1菌株的基因组包含许多与肌动蛋白、泛素和内质网运输相关的基因，这些基因一直被认为是真核生物所独有的，RNA表达分析证实这些基因组实际上在细胞内表达。在被认为是真核生物特有的基因中，产生肌动蛋白的基因表达量最高。此外，对 MK-D1 菌株基因组的详细分析表明，它无法合成制造自身细胞所必需的氨基酸、维生素和核苷酸。这一结果表明，MK-D1菌株不仅依赖于与其他微生物的共生来利用氨基酸作为能源，而且还依赖于其他微生物的供应来提供其自身细胞合成和生长所必需的物质。此外，当我们将MK-D1菌株的基因组信息与之前报道的Asgard总门古菌进行比较时，我们发现与从氨基酸获取能量相关的基因在Asgard总门古菌中是保守的。这种比较基因组分析的结果强烈表明，阿斯加德超门的祖先古细菌是利用氨基酸生长的。因此，可以推测真核生物的祖先古细菌是利用氨基酸作为能源生长的。
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| 图3 使用串联核糖体蛋白质序列通过最大似然法构建的分子系统发育树。可见MK-D1株是与真核生物关系最密切的培养原核生物。分支点处的数字表示该分支的概率 (%)。横向长度表示进化距离（比例尺见左上角）。 |
最后，基于本研究揭示的MK-D1菌株的细胞形态、生理和遗传特征以及前期与真核生物起源相关的研究结果，我们提出了一种新的真核生物起源进化理论“缠结-吞噬-内生化”（E）3)模型”被提出。（图4）大约27亿年前，蓝细菌的出现引发了一次重大氧化事件，增加了地球上的氧气量。古细菌，真核生物的祖先，与细菌细胞，线粒体的祖先共存，为它们解毒。然后古细菌使用类似的长触手和囊泡吞噬了线粒体祖先。这些在 MK-D1 菌株中观察到的结果。假设认为，第一个真核细胞最终是古细菌和线粒体祖先之间共生关系的结果。
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| 图4提出真核生物诞生的新进化理论“缠结-吞噬-内生化”(E3) Entangle 的意思是吞没，Engulf 的意思是吞没，Endogenize 的意思是向内发展。古细菌（以蓝色显示的细胞）是真核生物的祖先，而细菌（以红色显示）是线粒体的祖先。它代表了共生关系成熟的各种过程。当大约27亿年前开始的大氧化事件开始产生氧气时，古细菌成为只能在缺氧环境中生长的真核生物的祖先。古细菌开始与可以在氧气存在下生长的硫酸盐还原细菌（以橙色显示的细胞）和可以消耗氧气并解毒的细菌（线粒体的祖先）共存。可以通过古细菌的触手状突起和囊泡利用氧气的细菌细胞。古细菌和细菌成为一个细胞，通过共享氨基酸共存。由于古菌自身的“壳”（细胞壁），膜并未完全封闭，形成了一层“核膜”，将古菌本身与线粒体隔开。随着共生关系的发展，基因交换发生并进一步整合（例如，细胞周围的膜从古菌类型变为线粒体类型）。当线粒体祖先创造并发展出一种剥夺宿主古细菌能量货币（ATP）的功能（AAC）时，古细菌和细菌之间的关系从共生关系转变为寄生关系。通过将产生能量的代谢完全委托给线粒体，古细菌促进了AAC的逆流，并建立了两者共享ATP的共生系统。通过这一系列的进化，我们的祖先——真核生物诞生了，它们使用氨基酸作为能源，以氧气为基础的呼吸系统，以及核膜等复杂的细胞结构。 |
首先，我们计划对MK-D1菌株进行更详细的调查。通过研究被认为是真核生物特有的基因的功能，古细菌 MK-D1 菌株可以帮助我们了解这些基因的原始作用。我们还将致力于阐明在 MK-D1 菌株中观察到的长触手状突起结构和囊泡的成分及其作用。此外，我们计划尝试培养除MK-D1菌株以外与真核生物密切相关的其他古菌以及原始单细胞真核生物，并阐明其特性。预计通过进行这些研究，从古细菌到真核生物的进化路径将变得更加清晰。