Japan har dyrket det komplekse livs nærmeste slægtninge, og de har ingen cellekerne

De nærmeste nulevende slægtninge til alle Jordens dyr, planter og svampe vokser nu i et laboratorium i Japan, og de ligner slet ikke den forfader, mange biologer havde forestillet sig. Et hold hos JAMSTEC, Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, har dyrket de første rene kulturer af Heimdallarchaeia, en gruppe encellede arkæer, som komplekse celler menes at være opstået fra. Indvendigt er cellerne enkle: ingen cellekerne, ingen indre rum og intet, der minder om de organeller, som kendetegner vores egne celler.

Overraskelsen findes på ydersiden. Hver celle skyder lange, forgrenede udløbere, der griber fat i partnermikrober, som den ikke kan leve uden, og cellerne bliver svækkede, når de udsættes for ilt, selv om de har gener til at håndtere det. Samlet tegner disse træk et billede af vores dybeste encellede forfader som en langsom, iltsky mikrobe, der levede gennem samarbejde – ikke som en miniatureudgave af den komplekse celle, den senere skulle blive til.

Fundet rammer ned i et af biologiens ældste spørgsmål: Hvordan blev en simpel celle uden kerne til den indviklede eukaryote celle, som udgør ethvert menneskes krop? Den førende forklaring lyder, at en arkæisk celle indgik et tæt partnerskab med en bakterie, og at bakterien siden blev opslugt og udviklede sig til mitokondriet, kraftværket inde i vores celler. Hvilken arkælinje der var vært, og hvordan den lignede, har i årevis været omdiskuteret, hovedsageligt på baggrund af DNA-fragmenter hentet op fra mudder og havvand.

Heimdallarchaeia står centralt i den debat. De hører til rækken Promethearchaeota, bedre kendt under sit tidligere navn Asgard-arkæer, og genetiske stamtræer placerer dem som den arkæiske gren, der står eukaryoterne nærmest. Indtil nu havde ingen set en levende repræsentant på nært hold, så antagelser om, at de allerede havde komplekse indre strukturer eller kunne ånde ilt ligesom os, hvilede alene på genomaflæsninger.

Sådan gjorde de

Mikroberne kom fra et usædvanligt sted: en biofilm, der beklædte indersiden af en naturgasbrønd på Boso-halvøen i Chiba-præfekturet øst for Tokyo. Salt, metanrigt grundvand vælder op dér og springer med jævne mellemrum ud som en lille gejser, så filmen regelmæssigt udsættes for luft. Holdet valgte stedet med vilje i håb om at finde eukaryoternes slægtninge, der havde en vis historie med ilt.

Det tog tre år at dyrke dem. Forskerne gav kulturerne bitte små mængder proteinrig føde, herunder casamino acids, pepton og mælkepulver, og brugte gentagne antibiotikabehandlinger til at slå konkurrerende bakterier ihjel, mens de igen og igen overførte de overlevende til friskt medium. Resultatet blev to stammer ved navn HC1 og SC1. HC1 lever nu i et stabilt makkerpar med én metanproducerende partnermikrobe; SC1 lever i en trio med to sådanne partnere.

Det er ikke hurtigvoksende organismer. HC1 bruger omtrent en uge eller mere på at fordoble sig, og SC1 to til tre uger. En tarmbakterie som E. coli kan fordoble sig på omkring 20 minutter. Holdet undersøgte derefter cellerne med scanning- og transmissionselektronmikroskoper, kryo-elektrontomografi, der rekonstruerer en frossen celle i 3D, og fluorescensmærkning, og sekventerede begge genomer, som viste sig at bestå af henholdsvis 7,91 og 6,75 millioner DNA-bogstaver.

Enkle indeni, travle udenpå

På tværs af snesevis af elektronmikrografier viste ingen af stammerne nogen permanent indre membran, kendetegnet på eukaryote celler. Enkelte celler indeholdt små bobleagtige strukturer, der kom og gik, men ingen kerne, intet endoplasmatisk retikulum og intet, en cellebiolog ville kalde en organel. Cellerne deler sig i to som almindelige mikrober.

Deres overflader fortalte en anden historie. Efter en vækstfase dannede de fleste celler flere udløbere på omkring 370 nanometer i tykkelse, som forgrenede sig og bulede ud, og disse udløbere havde ofte et større volumen end selve cellekroppen – i gennemsnit omkring 1,4 gange så stort. Udløberne var gennemtrukket af filamenter, der lignede aktin, proteinet som giver vores egne celler form, og de hæftede sig fysisk til partnermikroberne. Celler midt i en deling havde dem aldrig.

Det partnerskab er ikke valgfrit. Begge stammer nedbryder proteinfragmenter og frigiver hydrogen som affald, en reaktion der går i stå, medmindre en partner fortsat fjerner hydrogenet. Da forskerne blokerede de metanproducerende partnere med en hæmmer, holdt arkæerne helt op med at vokse.

Endnu et træk fangede holdets opmærksomhed. Da HC1 fik mere føde, delte den sig ikke hurtigere. I stedet blev cellerne større og dannede flere udløbere. Billeddannelse over store områder af omtrent 15.000 celler viste større og flere udløbere pr. celle, og proteinmængden pr. celle steg fra 66 til 226 femtogram. Typiske bakterier og arkæer bruger ekstra energi på formering. At afveje størrelse mod reproduktion er, bemærker forfatterne, noget eukaryoter gør.

Iltgåden

HC1 bærer gener for terminale oxidaser, enzymer der hos dyr sidder for enden af kæden, som forbrænder ilt for at skabe energi. Nogle forskere havde læst lignende gener i Heimdallarchaeia-DNA som et tegn på, at eukaryoternes forfader allerede åndede ilt. Kulturerne siger noget andet. Tilsætning af selv spor af ilt eller en atmosfære med 1 % ilt reducerede HC1’s celletal omtrent hundrede gange.

HC1 kunne kun overleve ilt med hjælp. Da iltforbrugende bakterier, isoleret fra den oprindelige opformering, blev tilsat kulturen, voksede HC1 trods lave iltniveauer, selv om den ikke producerede flere celler end før. Dens genom mangler også det maskineri, der er nødvendigt for at føre elektroner fra føde til ilt. Holdet konkluderer, at oxidaserne fungerer som et forsvar og fjerner ilt, ligesom de gør hos andre strengt anaerobe organismer. Ferritin, et protein der begrænser iltskader, som involverer jern, var blandt de tre mest udtrykte proteiner i HC1.

En genomdækkende test pegede i samme retning. Forskerne trænede en klassifikator på enzymer, der skelner mellem organismer, som behøver ilt, og dem, der undgår det, og den sorterede kendte mikrober korrekt omkring 95 % af tiden. Anvendt på hele Asgard-rækken pegede den på, at gruppen overordnet er anaerob, med eller uden oxidasegener.

Det passer med en idé kendt som Ox-Tox-modellen: Bakterien, der blev til mitokondriet, sikrede sig først sin plads ved at opsuge ilt, som var giftig for dens arkæiske vært, længe før den blev cellens energileverandør.

Hvad det ikke afgør

Disse mikrober er fætre til forfaderen, ikke selve forfaderen. De har haft lige så lang tid til at udvikle sig som vi har, omkring to milliarder år efter de fleste skøn, og ethvert træk, man ser i dag, kan være blevet vundet eller mistet undervejs. Holdets egen analyse tyder på, at gener til håndtering af ilt er blevet flyttet sidelæns mellem beslægtede grupper, så spørgsmålet om, hvorvidt forfaderen overhovedet bar dem, står stadig åbent.

Prøven er også lille. Kun tre stammer fra denne gren af stamtræet er blevet undersøgt i mikroskop: HC1, SC1 og en opformeringskultur, som tidligere blev rapporteret af en anden gruppe. Alle tre mangler organeller, men en så mangfoldig linje kan omfatte medlemmer med mere avancerede indre strukturer. De lejlighedsvise indre bobler i nogle celler har endnu ingen forklaring, og forfatterne kalder dem hverken primitive organeller eller artefakter.

Laboratorieforholdene har også betydning. Celleformerne ændrede sig, når cellerne blev kemisk fikseret til billeddannelse, og udløberne havde tendens til at knække af, en advarsel forfatterne selv fremhæver om at tolke anatomi ud fra konserverede prøver. Kulturerne er rene par og trioer med partnere, ikke kulturer med én enkelt art, fordi arkæerne ikke kan vokse alene.

En linje, der nu er åben for forsøg

JAMSTEC-gruppen dyrkede det første medlem af den bredere Asgard-gruppe, en stamme ved navn MK-D1 fra dybhavssediment, og rapporterede det i 2020. I 2023 beskrev et hold i Wien en anden, Lokiarchaeum ossiferum, med lignende udløbere. De nye stammer hører til den gren, der er tættest på eukaryoterne, vokser hurtigere end MK-D1 og har større celler, hvilket gør dem langt lettere at studere.

Holdet har foreslået navne til begge: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum for HC1, et slægtsnavn der bærer efternavnet på Lynn Margulis, biologen som fremførte teorien om, at mitokondrier begyndte som indfangede bakterier, og Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum for SC1.

Ofte stillede spørgsmål om arkæerne bag komplekst liv

Hvad er Asgard-arkæer?

Asgard-arkæer, der nu formelt kaldes Promethearchaeota, er en gruppe encellede mikrober, først identificeret ud fra miljø-DNA og opkaldt efter nordisk mytologi. Deres genomer rummer mange gener, som engang blev anset for at være unikke for eukaryoter, og derfor betragtes de som den linje, komplekse celler opstod fra.

Udviklede mennesker sig fra arkæer?

I dybere forstand ja. Den førende model hævder, at den første eukaryote celle blev dannet, da en arkæ beslægtet med nutidens Heimdallarchaeia indgik partnerskab med en bakterie, der blev til mitokondriet. Alle dyr, planter og svampe nedstammer fra den sammensmeltede celle.

Har Heimdallarchaeia en cellekerne?

Nej. De dyrkede stammer HC1 og SC1 har ingen cellekerne og ingen permanente indre membraner. Deres kompleksitet findes på ydersiden, i lange forgrenede udløbere, der forbinder dem med partnermikrober.

Kan disse arkæer leve med ilt?

Knap nok. De er anaerobe, og deres antal falder omkring hundrede gange ved spor af ilt, men den ene stamme overlevede lave iltniveauer, når iltforbrugende bakterier delte dens kultur.

Studiet blev offentliggjort i Nature den 28. oktober 2026 og blev første gang lagt ud som preprint i februar 2025. JAMSTEC oplyser, at de to stammer nu skal fungere som eksperimentelle modeller, mens holdet vender sig mod deres cellestrukturer og den måde, de binder sig til partnermikrober på, for at spore, hvordan en arkæisk celle med udløbere udenpå endte med at opbygge en cellekerne indeni.

Reference: Imachi, Nobu et al., “Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Tags: arkæer, Asgard archaea, cellebiologi, eukaryoter, evolution, Heimdallarchaeia