Der menschliche Körper besteht aus eukaryotischen Zellen, die einen Zellkern, DNA in Chromosomen verpackt und innere Kompartimente besitzen. Im Gegensatz dazu haben Bakterien und Archaeen einfachere Zellen.

Über viele Jahre hinweg lehrten Lehrbücher einen „Drei-Domänen“-Baum des Lebens, der Bakterien, Archaeen und Eukaryoten auf drei Äste aufteilte. Neuere DNA-Belege haben Forscher jedoch dazu gebracht, einen „Zwei-Domänen“-Baum vorzuschlagen, in dem Archaeen und Eukaryoten viel näher beieinander liegen.

Innerhalb der Archaeen sticht ein Cluster, die Asgard-Archaeen, hervor, da es einige der seltsamsten bekannten arkaealen Genome umfasst. Frühere Forschungsarbeiten deuteten darauf hin, dass diese Gruppe möglicherweise nahe an dem Stammbaum der Eukaryoten sitzt, der letztlich zu komplexen Zellen wie unseren führte.

Eukaryoten sind komplexe Organismen, deren Zellen einen Zellkern enthalten – eine Gruppe, zu der alle Pflanzen, Tiere, Insekten und Pilze gehören. Dieses Indiz stellt eine Herausforderung zum Thema Abstammung dar: Das Team wollte herausfinden, welcher Asgard-Stamm unsere Zellen hervorgebracht hat, wie sich dessen Genom veränderte und welchen Lebensstil dieser Vorfahre hatte.

„Welche Ereignisse führten dazu, dass Mikroben sich zu Eukaryoten entwickelten?“ sagte Brett Baker, außerordentlicher Professor für integrative Biologie und Meereswissenschaften an der Universität Texas in Austin. „Das ist eine große Frage. Diese gemeinsame Abstammung ist ein erheblicher Schritt, um dies zu verstehen.“

Da Asgard-Archaeen selten in Laborschalen wachsen, suchte das Team nach ihnen in der Natur. Sie entnahmen Proben aus heißen Quellen, Tiefsee-Hydrothermalquellen, marinen Sedimenten und anderen Ablagerungen an 11 Standorten. Das Team sammelte Schlamm- und Mineralablagerungen, extrahierte DNA und verwendete Computer, um diese gemischte DNA in separate Genome, bekannt als metagenomisch assemblierte Genome (MAGs), zu rekonstruieren.

„Stellen Sie sich eine Zeitmaschine vor, nicht um die Welten der Dinosaurier oder antiken Zivilisationen zu erkunden, sondern um tief in die potenziellen Stoffwechselreaktionen vorzudringen, die den Beginn komplexen Lebens hätten ausgelöst“, sagte Valerie De Anda, eine Forscherin in Bakers Labor.

„Anstelle von Fossilien oder antiken Artefakten betrachten wir die genetischen Blaupausen moderner Mikroben, um ihre Vergangenheit zu rekonstruieren.“ Das Team stellte 63 neue Asgard-Genome aus den Proben wieder her und erweiterte damit die bekannte Vielfalt dieser Gruppe erheblich.

Innerhalb der Heimdallarchaeia-Untergruppe stellten sie fest, dass die Genomgrößen stark variierten und identifizierten eine neue Ordnung, die Hodarchaeales umfasst, die einige der größten Genome einschließt.

Um zu sehen, wie diese Asgards miteinander und mit uns verwandt sind, erstellten die Forscher evolutionäre Bäume unter Verwendung von Proteinsätzen, die zwischen Archaeen und Eukaryoten geteilt werden. Nach der Analyse der Genome von Hunderten von Archaeen, die sich von Bakterien unterscheiden, fanden Forscher von UT Austin und anderen Institutionen heraus, dass Eukaryoten wahrscheinlich aus einem gemeinsamen Vorfahren innerhalb der Asgard-Archaeen hervorgingen.

Nach all den Tests zeigte sich, dass Eukaryoten als „gut eingebettete Klade“ innerhalb der Asgard-Archaeen sitzen. In diesen Bäumen bilden eukaryotische Zellen die nächstgelegene Schwestergruppe zu Hodarchaeales innerhalb von Heimdallarchaeia, was die Idee unterstützt, dass komplexe Zellen innerhalb des arkaalen Bereichs entstanden sind, anstatt von einem separaten Zweig abzustammen.

Das Team verglich dann Genfamilien über viele arkaale Genome und rekonstruierte, was die ancestralen Genome zu verschiedenen Zeitpunkten in diesem Baum enthalten haben könnten. Sie fanden heraus, dass Vorfahren der Asgard-Gruppen, insbesondere Lokiarchaeia und Hodarchaeales, hohe Raten von Gen-Duplikationen zeigten, während ihre Raten des Genverlusts ähnlich oder niedriger waren als die anderer Archaeen.

Infolgedessen neigten die ancestralen Asgard-Genome dazu, größer zu sein und mehr Proteine zu kodieren als typische arkaale Vorfahren, wobei der Vorfahre von Hodarchaeales wahrscheinlich über 4.000 Proteine hielt, im Vergleich zu etwa 3.100 Proteinen, die für den gemeinsamen Vorfahren aller Asgard-Archaeen vorhergesagt wurden.

Mit diesem rekonstruierten Geninhalt schlossen die Wissenschaftler auf, wie die Vorfahren lebten. Für den letzten gemeinsamen Vorfahren der Asgard-Archaeen identifizierten sie Gene für den Wood-Ljungdahl-Weg, der es Zellen ermöglicht, anorganische Kohlenstoffverbindungen zur Herstellung organischer Moleküle zu nutzen.

Dieses Muster deutet auf einen chemolithotrophen Lebensstil hin, der Energie aus anorganischen Chemikalien statt aus organischer Nahrung bezieht und zeigt Anzeichen dafür, dass dieser Vorfahre sehr hohe Temperaturen bevorzugte, was mit einem hyperthermophilen Ursprung in heißen Umgebungen übereinstimmt.

Sie betrachteten diesen frühesten Vorfahren als eine „Ur-Groß-Urgroßbakterien“ und fragten sich, welche Temperaturen er mochte und was er aß. Mit der Evolution in Richtung Heimdallarchaeia und dann Hodarchaeales verlor die Linie, die zu dem gemeinsamen Vorfahren der Asgard-Archaeen und Eukaryoten führte, den Wood-Ljungdahl-Weg.

Diese Linie wechselte dann zu Heterotrophie, indem sie Energie aus organischen Verbindungen gewann, wahrscheinlich durch Fermentation. Der vorhergesagte zentrale Kohlenstoffstoffwechsel in dieser Phase umfasste Wege, die denjenigen in modernen eukaryotischen Zellen sehr ähnlich waren, wie den Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, eine Standardform der Glykolyse, und einen teilweisen oxidativen Pentosephosphatweg.

Für den Vorfahren, der uns am nächsten ist, den gemeinsamen Vorfahren von Hodarchaeales und Eukaryoten, zeigen die Analysen einen mesophilen Lebensstil mit einer optimalen Wachstumstemperatur zwischen typischen Raum- und Körpertemperaturen und nicht unter kochenden Bedingungen.

Dieser Vorfahre nutzte eine vollständige Elektronentransportkette und führte eine anaerobe Atmung mit Nitrat als letztem Elektronenakzeptor durch. Daher könnte unser zellulärer „Großelternteil“ in sauerstoffarmen jedoch chemisch reichen Umgebungen gelebt haben und ATP mit Nitrat anstelle von Sauerstoff produziert haben.

„Das ist wirklich aufregend, denn wir schauen zum ersten Mal auf die molekularen Blaupausen des Vorfahren, der die ersten eukaryotischen Zellen hervorgebracht hat“, sagte De Anda.

Der Name Hodarchaeales stammt von Hod in der nordischen Mythologie, einem blinden Gott, der getäuscht wird, seinen Bruder Baldr zu töten. „Ich mache immer Scherze in meinen Vorträgen, dass ‚wir alle Asgardier sind‘“, sagte Baker. „Jetzt wird das wahrscheinlich auf meinem Grabstein stehen.“

Die Erkenntnisse des Teams deuten darauf hin, dass der Asgard-Vorfahre der Eukaryoten bereits über ein Toolkit verfügte, um Membranen zu biegen, Proteine zu transportieren und das Innere der Zelle zu organisieren.

„Wir wissen nicht, was diese Gen-Duplikationen in diesen Asgards spezifisch bewirkten“, sagte Baker. „Aber wir wissen, dass Gen-Duplikationen in Eukaryoten zu neuen Funktionen und einer Zunahme der zellulären Komplexität führten. Daher glauben wir, dass das eine der Möglichkeiten ist, wie Asgards zu den Innovationen führten, die Eukaryoten kennzeichnen.“

Wissenschaftler, die Archaeen untersuchen, haben viele Proteine gefunden, die einst als exklusiv für Eukaryoten gehalten wurden, und Baker äußerte die Frage: Welche Funktionen erfüllen diese eukaryotischen Proteine in den Archaeen?

„Ich denke, die Untersuchung dieser einfacheren Lebensformen und ihrer eukaryotischen Eigenschaften wird uns viel über uns selbst sagen“, schloss Baker.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung zu Asgards hilft zu erklären, wie etwas so Komplexes wie eine menschliche Zelle allmählich aus etwas entstanden ist, das auf der Oberfläche immer noch wie ein „einfaches“ Mikrobi aussieht. Aber hier ist der beste Teil: In der nordischen Mythologie bedeutet es, ein „Asgardianer“ zu sein, dass Thor ein ferner Verwandter ist. Und ehrlich gesagt, wer möchte nicht, dass Thor in ihrem Stammbaum steht?

Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.