I en publikation i Nature Communications sidste fredag beskriver NIOZ-forskerne Nina Dombrowski og Anja Spang og deres samarbejdspartnere en hidtil ukendt stamme af akvatiske Archaea, der sandsynligvis er afhængige af partnerorganismer for vækst, mens de potentielt er i stand til at spare noget energi ved gæring. I modsætning til indledende analyser viser denne undersøgelse, at den nye phylum er en del af en gruppe af Archaea, der menes hovedsageligt at omfatte symbionter. Yderligere giver undersøgelsen ny indsigt i Archaeas mangfoldighed og evolutionære historie.
Archaea udgør en af livets hovedinddelinger, ved siden af bakterierne og eukaryoterne, hvoraf sidstnævnte omfatter for eksempel svampe, planter og dyr. Archaea er en stor gruppe af mikroorganismer, der lever i alle habitater på Jorden lige fra jordbund og sedimenter til marine og ferskvandsmiljøer samt fra menneskeskabte til værtsassocierede habitater inklusive tarmen. Til gengæld menes Archaea nu at spille en stor rolle i biogeokemiske næringsstofkredsløb.
I en publikation i Nature Communications sidste fredag beskriver de evolutionære mikrobiologer Nina Dombrowski og Anja Spang fra Royal Netherlands Institute of Sea Research (NIOZ) en hidtil ukendt arkæal afstamning (phylum). Forfatterne kaldte dem Undinarchaeota, med henvisning til den kvindelige vandånd eller nymfe Undina. Til undersøgelsen samarbejdede Dombrowski og Spang med partnere fra Bristol University, University of Queensland og Australian National University.
Diverse symbionter og parasitter
På grund af deres store lighed med bakterier blev Archaea kun beskrevet som en separat afstamning for omkring 40 år siden og blev ikke undersøgt intenst før for ganske nylig, hvor det blev muligt at sekventere DNA direkte fra miljøprøver og at rekonstruere genomer fra udyrkede organismer. Dette område for genetisk forskning, der generelt omtales som metagenomics, har ikke kun afsløret, at mikrobielt liv, herunder Archaea, er meget mere forskelligartet end oprindeligt antaget, men også leveret data, der er nødvendige for at kaste lys over disse mikrobers funktion i deres miljøer.
De nyligt beskrevne Undinarchaeota blev opdaget i genetisk materiale fra marine (Indisk, Middelhavet og Atlanterhavet) og grundvandsmagasiner (Rifle aquiver, Colorado River) miljøer. Forfatterne kunne vise, at de tilhører en meget forskelligartet og indtil for nylig ukendt gruppe af såkaldte DPANN-arkæer. Medlemmer af DPANN inkluderer organismer med meget små genomer og begrænsede metaboliske evner, hvilket tyder på, at disse organismer er afhængige af andre mikrober for vækst og overlevelse1, 2, 3. Faktisk er de få hidtil dyrkede DPANN archaea obligate symbionter eller parasitter, der ikke kan leve alene4.
"I tråd med dette, synes Undinarchaeota at mangle flere anabolske veje, hvilket indikerer, at de også er afhængige af forskellige metabolitter fra hidtil ukendte partnerorganismer," siger forskningsleder Anja Spang. "Men, Undinarchaeota ser ud til at have visse metaboliske veje, der mangler i nogle af de mest parasitære DPANN-arkæer og kan muligvis spare energi ved fermentering."
Kompleks evolutionær historie
Mens DPANN først er blevet opdaget for nylig, bliver det mere og mere klart, at de er udbredte, og at repræsentanter bebor alle tænkelige miljøer på Jorden. Alligevel ved man ikke meget om deres evolutionære og økologiske rolle. "På en eller anden måde ligner nogle af DPANN archaea vira, der har brug for en værtsorganisme, sandsynligvis andre archaea eller bakterier, for at overleve," siger Spang."Men og i modsætning til vira ved vi i øjeblikket meget lidt om DPANN archaea, og hvordan de påvirker fødevæv og værtsudvikling. Det er også uklart, om DPANN er en gammel archaeal slægt, der ligner tidligt cellulært liv eller har udviklet sig senere eller i parallelt med deres værter."
Med deres undersøgelse kunne forfatterne kaste mere lys over den komplekse udvikling af Archaea. "Vores arbejde afslørede, at mange DPANN archaea ofte udveksler gener med deres værter, hvilket gør det meget udfordrende at rekonstruere deres evolutionære historie," siger førsteforfatter Nina Dombrowski. Tom Williams (Bristol University) tilføjer: "Men vi kunne vise, at DPANN sandsynligvis har udviklet sig parallelt med deres værter over en lang evolutionær tidsskala, ved at identificere og studere de gener, der blev nedarvet fra forældre til afkom i stedet for at have været overført mellem vært og symbiont."
Rolle i marine biogeokemiske kredsløb
Spang forventer, at visse DPANN, inklusive Undinarchaeota, kan være vigtige for biogeokemiske næringsstofkredsløb i havene og sedimenterne. "En grund til, at DPANN blev opdaget relativt for nylig, er, at de ikke blev tilbageholdt på de filtre, der oprindeligt blev brugt til at koncentrere celler fra miljøprøver på grund af deres små cellestørrelser." Men siden deres opdagelse har DPANN vist sig at være meget mere udbredt end oprindeligt forventet. Chris Rinke fra University of Queensland: "Prospektiv forskning i Undinarchaeota og andre DPANN archaea vil være afgørende for at opnå en bedre forståelse af marine biogeokemiske cyklusser og den rolle, symbionter spiller i transformationen af organisk stof."
Disse spørgsmål driver nogle af Anja Spangs potentielle projekter. Især i samarbejde med deres NIOZ-kolleger Laura Villanueva, Pierre Offre og Julia Engelmann har forfatterne til publikationen Anja Spang og Nina Dombrowski netop sekventeret nyt DNA fra vandprøver fra Sortehavet, hvilket afslører, at Undinarchaeota er til stede i næsten alle anoxiske dybdelag af dette bassin. Spang siger: "Disse data er en guldmine for den fremtidige udforskning af økologien og evolutionen af disse potentielt symbiotiske Archaea, hvilket giver os mulighed for at identificere deres interaktionspartnere og afsløre yderligere hemmeligheder om Undinarchaeotas biologi."
