不論微生物、動物、植物，大多數野生生物都無法人為養殖。一隊日本科學家經歷 12 年嘗試以後，順利培養出一種古生菌，不僅是微生物學的突破，對於追溯生命的演化史也很關鍵。因為此一新問世的「普羅米修斯古生菌」，與 20 億年前我們祖先的細胞，應該頗有相似之處。1, 2, 3, 4
要了解養出普羅米修斯的意義，我們要先回到很久很久以前……
內共生：真核生物的起源
生物可以分為真核生物（eukaryote）和原核生物（prokaryote）兩大群，原核生物又有古生菌（archaea，也叫作太古生物）與細菌兩種。真核生物是建立於原核生物的基礎上，最晚才誕生的。
目前認為大概在 20 億年前，有一種古生菌吞進細菌，卻沒有把細菌分解掉，而是讓細菌留在古生菌的細胞裡頭，雙方發展出奇妙的共生關係，最後細菌演變為粒線體——這就是所謂的「內共生」。
內共生事件發生的時候，古生菌的細胞是處於何種狀態？之前根據不同證據，有各式各樣的推論，如今，全新問世的普羅米修斯，替這個問題帶來全新的線索。
我們祖先的兄弟們——阿斯嘉戰隊？
絕大部分微生物都無法人為培養，尤其是那些住在極端環境的物種，因此研究它們並不容易。所幸近年誕生的總體基因體學（metagenomic）可以直接定序，取自環境樣本中所有的 DNA 片段，再拼湊出不同生物的基因組。
總體基因體學的研究方法帶來許多重大突破，像是 2015 年發表的一篇論文，報告一種住在海底淤泥的古生菌，基因組中竟然存在許多真核生物的基因！5
這種前所未見的古生菌被取名作「洛基古生菌（Lokiarchaeota）」，名字來自北歐神話的洛基；最近一系列漫威電影中，由湯姆．希德斯頓（Tom Hiddleston）演出的洛基大出風頭，應該不用再多做介紹。
2016 年，又有論文報告與洛基類似的古生菌，既然第一種叫作洛基，第二種被稱作索爾（Thorarchaeota）聽起來很合邏輯。有二又有三，有三還有四。2017 年發表的論文，再度發表兩款遺傳上類似的古生菌，論文給予它們的名字不難預測：奧丁（Odinarchaeota）和海姆達爾（Heimdallarchaeota）。6, 7
出現洛基、索爾、奧丁、海姆達爾以後，這群古生菌順理成章地被統稱為「阿斯嘉（Asgards）」古生菌，它們本身是古生菌，卻帶有不少真核生物的基因。真核生物最初起源自古生菌的細胞，合理的推測是，當年有種阿斯嘉古生菌的成員或是近親，正是真核生物的祖先。
根據遺傳關係判斷，和真核生物最相似的是海姆達爾。然而，所有阿斯嘉戰隊的成員，都是在環境中取得 DNA 再拼湊成基因組的結果；我們只能電腦上談菌，不知道它們的實際型態、生理特徵、成長方式，甚至也無法肯定它們實際存在。
這回發表的普羅米修斯古生菌證實，阿斯嘉都是真的！
養菌十二年！
從開始到成功養出普羅米修斯古生菌，總共耗費 12 年；洛基的論文在 2015 年發表，算算時間就會發現，一開始嘗試培養的時候，根本對什麼洛基、阿斯嘉都毫無概念。日本科學家由日本外海 2533 公尺深處，充滿甲烷的海底淤泥中取樣培養，目的是希望找到能分解甲烷的微生物；結果見到普羅米修斯，算是個意外。
原本住在極端環境的普羅米修斯非常難養，研究者測試出添加 20 種氨基酸和奶粉的配方，讓微生物在攝氏 20 度時能穩定生長；有趣的是，這並不是它們本來環境的狀態。
此時共有 3 種微生物共存，一種是 Halodesulfovibrio 細菌，占培養液的 85%；另一種是 Methanogenium 古生菌，占 2%；剩下的 13% 則是普羅米修斯。去除細菌以後，剩下兩種古生菌，此時培養液中超過 80% 是普羅米修斯。
兩種細胞的型態差異很大，Methanogenium 體型較大，直徑一般超過 2 微米（μm）。普羅米修斯非常小，直徑只有 300 到 750，平均 550 奈米。
體型差很多以外，Methanogenium 一般單獨存在，普羅米修斯卻會多個聚集成一團，細胞外頭包圍著細胞外聚合物（extracellular polymer substance，簡稱 EPS）。
奇菌飼育學
終於繁殖成功以後，可以直接觀察普羅米修斯的各種行為。它長的非常緩慢，遲滯期（lag phase）達到 30 到 60 天、細胞發育完全要花 3 個月、複製需要需要 14 到 25 天。不要說大腸桿菌，這種生長速度比生物學實驗常用的果蠅、線蟲還慢，可是它只是單細胞生物呀！
普羅米修斯本身厭氧。有意思的是，它與一同生活的 Methanogenium 會交流化學物質，稱作營養共生（syntrophy）；它可以利用共生同伴的電子傳遞鏈分解氨基酸，生產氫和甲酸（formate）。
人為成功培養出的品系，論文給予的全名是「‘Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum’ strain MK-D1」：屬名 Prometheoarchaeum 是普羅米修斯古生菌，名字來自那位把火帶給人類的希臘神話人物；種小名 syntrophicum 來自營養共生的特性；MK-D1 是品系編號。
活生生的普羅米修斯，是智人首度親眼見到完整的阿斯嘉古生菌，可以直接遺傳定序。普羅米修斯的基因組和洛基最相似，大小是 4.46 Mb。這下總算證明，之前由環境樣本中 DNA 拼湊出的洛基、索爾、奧丁、海姆達爾都是真實人物，阿斯嘉古生菌確實帶有類似真核生物的基因。
於是北歐神話的阿斯嘉殿堂中，多出了一位希臘神。
內共生的過程中，粒線體本來其實是第三者？
後來成為真核生物的古生菌祖先，當初可能很類似普羅米修斯，因此獲得活生生的普羅米修斯細胞，對於了解真核生物的演化相當有參考價值。值得注意，普羅米修斯不但體型非常小，內部也缺乏看起來像是胞器的結構。
詳細考慮普羅米修斯具備的基因與代謝路徑後，這篇論文主張，祖先古生菌吃進祖先粒線體細菌那個時候，應該和其他的微生物呈現共生狀態。
也就是說，祖先古生菌是在已經有了營養共生夥伴的狀況下，再與另一位第三者發生共生關係。後來演化成粒線體的細菌，一開始其實是第三者。
然而也要考慮到，普羅米修斯和其他阿斯嘉古生菌，與我們真核生物的祖先分家超過 20 億年，這是一段非常非常非常漫長的歲月。即使阿斯嘉和我們祖先的親戚關係最接近，它們卻不直接等於我們的祖先。無法保證普羅米修斯和我們的祖先一模一樣，所以用普羅米修斯為參考作出的推論，雖然很有價值，卻未必符合真實狀態。
等待後續研究的時候，大家先來歡迎北歐阿斯嘉戰隊的最新成員——來自希臘的普羅米修斯！
延伸閱讀
參考文獻
1. Imachi, H., Nobu, M. K., Nakahara, N., Morono, Y., Ogawara, M., Takaki, Y., … & Matsui, Y. (2020). Isolation of an archaeon at the prokaryote–eukaryote interface. Nature, 1-7.
2. Meet the relatives of our cellular ancestor
3. Scientists glimpse oddball microbe that could help explain rise of complex life
5. Spang, A., Saw, J. H., Jørgensen, S. L., Zaremba-Niedzwiedzka, K., Martijn, J., Lind, A. E., … & Ettema, T. J. (2015). Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature, 521(7551), 173-179.
6. Seitz, K. W., Lazar, C. S., Hinrichs, K. U., Teske, A. P., & Baker, B. J. (2016). Genomic reconstruction of a novel, deeply branched sediment archaeal phylum with pathways for acetogenesis and sulfur reduction. The ISME journal, 10(7), 1696-1705.
7. Zaremba-Niedzwiedzka, K., Caceres, E. F., Saw, J. H., Bäckström, D., Juzokaite, L., Vancaester, E., … & Stott, M. B. (2017). Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature, 541(7637), 353-358.
本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。
fierycloud
s
