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。