A “Missing Link” – Para peneliti menyoroti munculnya bentuk kehidupan yang kompleks

Para peneliti dari University of Vienna dan ETH Zurich membiakkan mikroorganisme “mata rantai yang hilang”.

Apa yang menyebabkan munculnya organisme kompleks di Bumi? Ini adalah pertanyaan besar yang belum terjawab dalam biologi. Peneliti dari tim di sekitar Christa Schleper am Universitas Wina dan tim Martin Pilhofer ETH Zürich telah mengambil langkah untuk memecahkannya. Para ilmuwan berhasil membudidayakan arkeon khusus dan mengkarakterisasinya dengan lebih tepat menggunakan metode mikroskopis.

Anggota archaea Asgard ini menunjukkan sifat seluler yang unik dan mungkin merupakan “mata rantai yang hilang” evolusioner ke bentuk kehidupan yang lebih kompleks seperti hewan dan tumbuhan. Studi ini baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Alam.

Semua bentuk kehidupan di bumi dibagi menjadi tiga bidang utama: eukariota, bakteri, dan archaea. Eukariota termasuk kelompok hewan, tumbuhan dan jamur. Sel mereka biasanya jauh lebih besar dan, sekilas, lebih kompleks daripada sel bakteri dan archaea. Genom eukariota, misalnya, dikemas dalam inti sel dan sel memiliki sejumlah besar kompartemen lain. Bentuk sel dan transportasi dalam sel eukariotik juga didasarkan pada sitoskeleton yang luas. Namun, bagaimana lompatan evolusioner ke sel eukariotik yang begitu rumit bisa terjadi?

Salah satu teori evolusi yang paling populer saat ini adalah bahwa eukariota (termasuk hewan, tumbuhan, dan jamur) muncul dari peleburan arkeon Asgard dengan bakteri. Kredit foto: © Florian Wollweber, ETH Zurich

Kebanyakan model saat ini mengasumsikan bahwa archaea dan bakteri memainkan peran sentral dalam evolusi eukariota. Sel primordial eukariotik diperkirakan telah berevolusi sekitar dua miliar tahun yang lalu dari simbiosis erat antara archaea dan bakteri. Pada 2015, studi genomik sampel lingkungan laut dalam menemukan kelompok yang disebut Asgard archaea, yang merupakan kerabat terdekat eukariota di pohon kehidupan. Gambar pertama sel Asgard diterbitkan pada tahun 2020 dari budaya pengayaan oleh kelompok Jepang.

Asgard Archaea dibudidayakan dari sedimen laut

Kelompok kerja Christa Schleper di Universitas Wina kini telah berhasil untuk pertama kalinya menumbuhkan perwakilan kelompok ini dalam konsentrasi yang lebih tinggi. Itu berasal dari sedimen laut di pantai Piran, Slovenia, tetapi juga merupakan penduduk Wina, misalnya di sedimen tepi sungai Danube. Karena pertumbuhannya dengan kepadatan sel yang tinggi, perwakilan ini dapat dipelajari dengan sangat baik. “Sangat rumit dan memakan waktu untuk mendapatkan organisme yang sangat sensitif ini dalam kultur yang stabil di laboratorium,” lapor Thiago Rodrigues-Oliveira, pascadoktoral di kelompok kerja Archaea di Universitas Wina dan salah satu penulis pertama studi tersebut. .

Rekan penulis pertama Rafael Ponce mengambil sampel sedimen laut di Seca Channel di Piran, Slovenia. Kredit foto: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wina

Archaea Asgard memiliki bentuk sel yang kompleks dengan sitoskeleton yang luas

Keberhasilan penting kelompok Wina dalam menumbuhkan perwakilan Asgard yang sangat diperkaya akhirnya memungkinkan pemeriksaan mikroskopis sel yang lebih rinci. Para peneliti ETH dalam kelompok Martin Pilhofer menggunakan mikroskop cryo-elektron modern untuk memotret sel beku kejut. “Metode ini memungkinkan wawasan tiga dimensi ke dalam struktur sel bagian dalam,” jelas Pilhofer.

Memindai mikrograf elektron dari sel Lokiarchaeum ossiferum menunjukkan tonjolan sel yang panjang dan kompleks. Kredit foto: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Wina

“Sel-sel terdiri dari badan sel bulat dengan proses sel yang tipis, terkadang sangat panjang. Struktur seperti tentakel ini kadang-kadang bahkan tampaknya menghubungkan badan sel yang berbeda satu sama lain,” kata Florian Wollweber, yang menghabiskan waktu berbulan-bulan melacak sel di bawah mikroskop. Sel juga mengandung jaringan filamen aktin yang luas yang dianggap unik untuk sel eukariotik. Ini menunjukkan bahwa struktur sitoskeletal yang luas muncul di archaea sebelum eukariota pertama muncul, dan memicu teori evolusi seputar peristiwa penting dan spektakuler ini dalam sejarah kehidupan.

Wawasan masa depan dari organisme model baru

“Organisme baru kami yang disebut Lokiarchaeum ossiferum memiliki potensi besar untuk memberikan wawasan terobosan lebih lanjut ke dalam evolusi awal eukariota,” komentar ahli mikrobiologi Christa Schleper. “Butuh waktu enam tahun yang panjang untuk mendapatkan budaya yang stabil dan sangat diperkaya, tapi sekarang kami dapat menggunakan pengalaman ini untuk melakukan banyak studi biokimia dan juga mengolah archaea Asgard lainnya.” ETH mengembangkan metode pencitraan baru, misalnya, untuk menyelidiki interaksi yang erat antara Archaea Asgard dan mitra bakteri mereka. Proses biologis sel dasar seperti pembelahan sel juga dapat diselidiki di masa depan untuk menjelaskan asal usul evolusi dari mekanisme ini pada eukariota.

Referensi: “Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon” oleh Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer dan Christa Schleper, 21 Desember 2022, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-022-05550-y