חוקרים מיפן הצליחו לגדל במעבדה יצור חד תאי שנראה כי הוא נמצא על התפר בין החיידקים לתאים המורכבים של בעלי החיים המודרניים

על פי סיפורי המיתולוגיה היוונית, פְּרוֹמֶתֶאוּס היה אחד הטיטאנים – הענקים הקדומים – שיצר את האדם והחזיר לו את האש שהאלים שללו ממנו. כעת חוקרים מיפן קראו על שמו יצור מיקרוסקופי שנמצא על התפר שבין יצורים פשוטים למורכבים.

אפשר לחלק את עולם החי לשתי קבוצות עיקריות: פְּרוֹקָריוֹטִים, כלומר תאים חסרי גרעין, קבוצה הכוללת את החיידקים (bacteria) והארכאונים (Archea), ואֵיקָריוֹטִים – בעלי גרעין – קבוצה הכוללת בין השאר את כל הצמחים, הפטריות, חד-תאיים כמו אמבות ופלנקטון ובעלי החיים. ההבדל העיקרי בין פרוקריוטים לאֵיקריוטים הוא שאצל אלה האחרונים ישנם אברונים – מדורים עטופים בקרום שבכל אחד מהם מתרחשים תהליכים ביולוגיים ייחודיים. גרעין התא הוא האברון המכיל את החומר הגנטי, מערכות הרשת האנדופלסמטית והגולג'י אחראיות על מיון חלבונים והליזוזום על פירוק חלבונים ואברונים פגומים. לאיקריוטים ישנו גם אברון מיוחד נוסף – המיטוכונדריה – "מפעלי האנרגיה" של התא. המיטוכונדריה (ביחיד: מיטוכונדריון) מיוחדים בכך שיש להם חומר גנטי עצמאי משלהם וכל הראיות מצביעות על כך שבעבר הרחוק תא קדום אסף לתוכו חיידק שהיה למעשה האב הקדמון של המיטוכונדריה. האירוע הזה התרחש ככל הנראה לפני לא יותר מ-2 מיליארד שנים, אחרי שנגמרה תקופת החימצון הגדולה.

מקומו של פרומתאוס בעיגול קטן למטה, בעץ האבולוציה של החיידקים (אדום) הארכאונים (כחול) והאיקריוטים (סגול) | איור: Masaru K. Nobu
מקומו של פרומתאוס בעיגול הקטן, בעץ האבולוציה של החיידקים (אדום) הארכאונים (כחול) והאיקריוטים (סגול) | איור: Masaru K. Nobu 

האֵלים שיצאו מהבוץ

אותו תא קדום היה ככל הנראה ארכאון ולא חיידק. הראיה העיקרית התומכת בהשערה זו היא שלארכאונים יש גנים הדומים לגנים שקיימים בתאים איקריוטים, אך אינם נמצאים בחיידקים – בייחוד גנים הקשורים לייצור של קרומים ביולוגיים. אכן, לפני מספר שנים התגלו כמה ארכאונים שנחשבים קרובים ביותר מבחינה גנטית לאיקריוטים. הראשון שהתגלה קיבל את השם לוֹקִי – על שם האל הנורדי – שכן הוא התגלה בקרקעית האוקיינוס האטלנטי בנביעת מים חמים ליד גרינלנד שנקראת "טירתו של לוקי". ארכאונים דומים נמצאו במקומות אחרים והקבוצה כולה נקראה ארכאוני אַסְגָרְד, על שם משכן האלים הנורדים. אולם למרות ההישג המרשים, איש אינו יודע כיצד ארכונים אלה נראים ומתפקדים. כל המידע עליהם נובע אך ורק מבדיקות גנטיות של הבוץ באתרים שהם התגלו בהם. אחת הסיבות לכך היא שמינים אלה חיים בתנאים קשים כמו טמפרטורות קיצוניות וחוסר חמצן והם מנצלים אנרגיה האצורה בגזים כמו מתאן או מימן. 

עתה, חוקרים בהובלת הִיוֹרוּקִי אִימַאצִ'י (Imachi) מהמכון היפני למדעי הים וכדור הארץ ומָסַרוּ נוֹבּוּ (Nobu) מהמכון היפני הלאומי למדע וטכנולוגיה בתעשייה דיווחו בכתב העת Nature כי הצליחו לגדל במעבדה מין אסגרדי חדש. החוקרים נתנו לו את השם Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum.

בשנת 2009, כ-6 שנים לפני גילוי האסגרדים, החליטו אימאצ'י ושותפיו לאסוף מיקרואורגניזמים מקרקעית שקע ננקאי, 900 ק"מ מחופי יפן. הקרקעית עשירה במתאן והחוקרים ביקשו לבדוק אילו יצורים חיים שם. הם בנו מתקן גידול מיוחד ששמר על טמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס, ועל סביבה נטולת חמצן ועשירה במתאן. הם הדגירו את הדגימה במשך 2000 ימים (כחמש שנים וחצי) ודיווחו בשנת 2014 על ממצאיהם – מגוון של חיידקים וארכאונים שהתגלו על בסיס בדיקה גנטית. בדיעבד, חלק מהארכאונים שהתגלו שם הם אסגרדים כמו לוקיארכיאה, היימדלארכיאה ואודינארכיאה. בתום 2000 הימים, החוקרים החליטו לנסות ולבודד את אחד הארכאונים כדי לחקור אותו ביסודיות. הם העבירו חלקים מהדגימה למבחנות זכוכית והדגירו אותם בתנאים שונים, בין היתר תוספת של חומצות אמינו ואף אבקת חלב. רק בתום שנה התרבית החלה להראות סימנים של גידול – מה שמעיד על הסבלנות הרבה של החוקרים. הסיבה לזמן הממושך היא שהארכאון מתחלק רק פעם ב-4-2 שבועות!

צוללת המעמקים היפנית Shinkai 6500 ששלתה את דגימות הבוץ | צילום: JAMSTECE
ירדו לעומק הדברים. צוללת המעמקים היפנית Shinkai 6500 ששלתה את דגימות הבוץ | צילום: JAMSTECE

שיתוף פעולה קדום

כ-12 שנים לאחר לקיחת הדגימה המקורית החוקרים השיגו תרבית נקיה יחסית של הארכאון האסגרדי, עם ארכאון נוסף בשם מתנוגניום. החוקרים סבורים שהם חיים בסימביוזה – פרומתאוס מייצר מימן וחומצה פורמית שאותם מנצל המתנוגניום ליצירת אנרגיה. המתנוגניום גם מייצר חומרים הדרושים לפרומתאוס, כמו ויטמינים וחומצות אמינו. צורת סימביוזה זו נקראת סינטרופיזם ומכאן שם המין syntrophicum. תוספת השם Candidatus - "מועמד" - ניתנה מכיוון שהגידול האיטי של פרומתאוס לא איפשרה לחוקרים לשמור אותו במאגרים ביולוגיים, או לבצע כמה ניסויים הדרושים כאשר מאפיינים מין חדש. 

בחינה של פרומתאוס במיקרוסקופ אלקטרונים העלתה שהוא עגול, בגודל של כמחצית המיקרון (0.0005 מילימטר) אך, למרבה האכזבה, הוא אינו מכיל גרעין או אברונים אחרים. אולם נראה שמהתאים יוצאות שלוחות מסועפות וארוכות בקוטר של כעשירית המיקרון ובאורך של מיקרון ויותר. תפקיד השלוחות אינו ידוע.

פרומתאוס נחשף: צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של הארכאון שהתגלה, עם השלוחות | מקור: H. Imachi et al
פרומתאוס נחשף: צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של הארכאון שהתגלה, עם השלוחות | מקור: H. Imachi et al

החוקרים מציעים שבמהלך תקופת החימצון הגדולה שהחלה לפני 2.4 מיליארד שנים והסתיימה לפני כשני מיליארד שנים, האב הקדמון של האסגרדים והאיקריוטים נחשף לרמות חמצן גבוהות ממה שהיה רגיל. בניגוד לאסגרדים הקיימים כיום, אותו קדם-איקריוט חי כנראה בסינטרופיזם עם חיידק שיכול לנטרל את החמצן הרעיל. האסגרדי הקדם-איקריוטי לכד באמצעות השלוחות את החיידק שהועיל לו, ולימים החיידק נבלע לגמרי בתא והפך למיטוכונדריה. 

ההישג של הקבוצה היפנית יאפשר לחקור תהליכים ביוכימיים ופעילות ביולוגית שעד כה אפשר היה רק לנחש את דבר קיומם על פי הרצף הגנטי של האסגרדים, ובכך להבין טוב יותר את אבות-אבותינו. אולם המחקר חשוב גם להבנה של תהליכים ביוגיאוכימיים שמתרחשים במעמקי הים אך משפיעים על הים והאטמוספירה כמו ייצור וניצול של מתאן, שהוא גז חממה. לבסוף, שיטת הגידול הסבלנית תהיה לעזר רב במחקר אסטרוביולוגי כאשר חוקרים יבקשו לנסות לבודד מיקרואורגניזמים מסביבות קיצוניות על כדור הארץ, או מכוכבי לכת וגופים אחרים במערכת השמש.

סרטון של כתב העת nature על המחקר (באנגלית):