Этот организм не должен существовать, но он живет. Без энергии, без питания, без половины того, что делает жизнь возможной

Учёные обнаружили одноклеточный организм, почти полностью лишённый свойств, которые обычно считают основой биологической активности. Его устройство настолько необычно, что ставит под сомнение привычные представления о том, что можно называть живым. Существо известно лишь по своей ДНК: геном крайне мал, будто на протяжении эволюции этот микроб шаг за шагом избавлялся от большинства наследственных элементов. Особенно удивило исследователей отсутствие генов, отвечающих за биохимические процессы, благодаря которым клетки получают энергию, формируют строительные молекулы и поддерживают собственное состояние.

Даже наиболее примитивные микробы сохраняют ферменты для синтеза аминокислот, витаминов или углеводов. Здесь подобных механизмов нет вовсе. Судя по данным, этот организм полностью зависит от соседей, которые должны обеспечивать его питательными веществами и другими необходимыми компонентами. Ранее специалисты были уверены, что такие функции обязательны для любой клетки, способной продолжать существование.

При этом система, отвечающая за копирование наследственного материала и формирование ключевых структур, осталась относительно целой. Эта часть генома занимает более половины всей последовательности. Руководитель работы, эволюционный микробиолог Такуро Накаяма из Университета Цукубы, отмечает: привычные определения опираются на идею, что жизнедеятельность невозможна без собственных энергетических и синтетических путей. Новая находка показывает, что реальность куда разнообразнее, чем ожидалось, и что в природе существуют формы, едва соответствующие классическим критериям.

Для Накаямы подобные открытия не случайны. Он много лет изучает микробные отношения, где одни существа обитают на поверхности других или поселяются внутри них. Разница в габаритах между паразитом и хозяином иногда сопоставима с масштабом между человеком и огромным вымышленным монстром. Такие ассоциации особенно часто встречаются в морской среде, где скудность ресурсов вынуждает клетки обмениваться редкими молекулами или образовывать сложные сообщества, зависящие друг от друга.

Коллектив Накаямы занимался поисками одноклеточной водоросли Citharistes regius, широко распространённой в океанах. У неё имеется особая камера, где живут фотосинтезирующие цианобактерии. Чтобы найти этот организм, исследователи собирали пробы морской воды с помощью мелкоячеистых сетей. Обычно такие смеси анализируют метагеномными методами, когда вся ДНК читается сразу. Этот подход даёт общее представление о составе сообщества, но лишает возможности связать конкретную последовательность с определённой клеткой, а редкие существа легко теряются среди доминирующих видов.

Команда выбрала иной путь: специалисты искали отдельные клетки под микроскопом, изолировали каждую вручную и уже после этого проводили полное чтение всех геномов, связанных с выбранным объектом. Когда образец доставили в лабораторию в Цукубе и подтвердили, что перед ними действительно C. regius, учёные приступили к анализу. Помимо ДНК симбиотических цианобактерий, они обнаружили последовательности, принадлежавшие архей — представителю древней линии микроорганизмов, к которой, согласно современным данным, относятся предки эукариот.

Изначально подумали, что произошла ошибка. Генетический материал оказался невероятно коротким — примерно 238 тысяч пар оснований. Для сравнения, у человека их несколько миллиардов, у кишечной палочки несколько миллионов, а у цианобактерии из той же водоросли почти два миллиона. До этого момента рекордно компактным считался геном Nanoarchaeum equitans из группы DPANN, включающий около 490 тысяч пар оснований. Новая последовательность была вдвое короче. Учёные подозревали, что фрагмент представляет собой неполный набор, некорректно собранный программами для реконструкции геномов.

Чтобы исключить ошибку, использовали разные технологии чтения ДНК и несколько алгоритмов для сборки последовательностей. Все методы дали одинаковый результат: завершённую кольцевую структуру длиной 238 тысяч пар оснований. Повторяющаяся точность убедила исследователей, что перед ними самостоятельный организм. Его назвали Candidatus Sukunaarchaeum mirabile — в честь синтоистского божества маленького роста и латинского термина, подчёркивающего необычность находки.

Дальнейший анализ показал, что минимализм объясняется множеством утраченных функций. Sukunaarchaeum сохранил лишь белки, нужные для повторения собственной наследственной информации. Всё, что связано с созданием энергоносителей, синтезом молекул или переработкой органических соединений, отсутствует. Это делает микроорганизм крайне зависимым от другой клетки, которая должна обеспечивать его всеми веществами, необходимыми для поддержания активности.

У многих симбиотических микробов со временем происходит похожее упрощение: они выбрасывают гены, которые могут получать от партнёра. Sukunaarchaeum относится к линии DPANN — группе архей с малым размером и компактными геномами. Обычно они прикрепляются к наружной поверхности более крупных прокариотических клеток. Однако столь радикально урезанной наследственной программы в этой группе ещё не встречали. Судя по генетическому древу, Sukunaarchaeum отделился от остальных представителей DPANN довольно рано и развивался по собственной ветви.

Некоторые считают, что подобные существа могут быть распространены гораздо шире, чем предполагается. По оценкам микробиолога Пури Лопес-Гарсия, доля паразитических форм среди бактерий может составлять от четверти до половины всех видов. Но их трудно обнаружить, поскольку упрощённые геномы легко принять за неполные или отбросить как некачественные данные.

Открытие привлекло внимание многих лабораторий. Одни исследователи предположили, что столь урезанная система почти лишена самостоятельности и движется в сторону вирусоподобного состояния. Однако эта гипотеза быстро отвергнута: в отличие от вирусов, Sukunaarchaeum обладает собственным аппаратом для чтения генетической информации, включая рибосомы. Вирусы таких структур не имеют и полностью используют оборудование хозяина.

Также находка поднимает фундаментальный вопрос: где проходит граница между живым организмом и системой, которая лишь имитирует самостоятельность? Некоторые микробиологи сравнивают подобные формы с органеллами — структурами внутри клеток, такими как митохондрии, которые в далёком прошлом тоже были самостоятельными организмами. Однако Sukunaarchaeum демонстрирует противоположный путь: он сохранил механизмы для размножения, но утратил почти всё, что обеспечивает биохимическую автономию.

Многое в устройстве этого существа остаётся загадкой. Значительная часть генов не похожа ни на одну из известных последовательностей. Они кодируют крупные белки, что необычно для организмов с такими компактными геномами. Возможно, эти структуры участвуют в закреплении на поверхности хозяина или позволяют устанавливать контакт с окружающими клетками. Не исключено, что среди них скрываются сильно изменённые метаболические элементы, которые невозможно распознать из-за сильного расхождения с привычными вариантами.

Пока неизвестно, на какой клетке на самом деле паразитирует Sukunaarchaeum. Он обнаружен рядом с C. regius и живущими в ней цианобактериями, однако DPANN чаще находят на археях. Чтобы определить его настоящего партнёра, учёным нужно увидеть организм напрямую, а сейчас он известен лишь по генетическим следам.

Команда Накаямы попыталась найти следы микроорганизма в глобальных базах данных морских образцов. Точная последовательность не встречалась, однако учёные нашли множество близкородственных вариантов, что говорит о возможном существовании большой скрытой группы похожих существ. Это может быть лишь вершина огромного микробного многообразия, где одни клетки живут за счёт других, иногда прячась внутри более крупных структур. Связи формировались миллиарды лет и теперь начинают открываться благодаря технологиям секвенирования и настойчивости исследователей.