Eine minimale Zelle, die die Definition des Lebens erschüttert

• Es wurde ein einzelliges Lebewesen mit extrem reduziertem Genom entdeckt, das als Fall Aufmerksamkeit erregt, der die Definition von Leben neu überdenken lässt
• Dieser Mikroorganismus hat die meisten Stoffwechselgene verloren, kann Nährstoffe nicht selbst verarbeiten oder wachsen und ist vollständig auf Wirtszellen angewiesen
• Das Forschungsteam benannte dieses Archaeon Candidatus Sukunaarchaeum mirabile; es besitzt ein zirkuläres Genom von 238.000 Basenpaaren
• Dieses Lebewesen bewahrt nur die minimal notwendigen Gene für die Selbstreplikation; grundlegende Expressionsapparate wie Ribosomen sind vorhanden, Stoffwechselfunktionen jedoch fast nicht
• Die Entdeckung erweitert die minimalen Grenzen und die Vielfalt zellulären Lebens und gibt Anlass, die Grenze zwischen Leben und Nichtleben neu zu prüfen

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Die Grundstruktur des Lebens und eine neue Entdeckung

• Zellen gelten als grundlegende Einheit des Lebens; Stoffwechsel, Wachstum und Replikation des Erbguts werden als Kernfunktionen angesehen
  • Die nun entdeckte Zelle weist jedoch die meisten dieser Funktionen nicht auf
• Dieses Lebewesen besitzt ein extrem kleines Genom, und stoffwechselbezogene Gene sind fast vollständig verschwunden
  • Es kann Nährstoffe nicht selbst verarbeiten oder wachsen und ist auf einen Wirt oder eine Zellgemeinschaft angewiesen
• Die Forschenden bewerten dieses Lebewesen als einen Fall, der bestehende Lebensdefinitionen erschüttert
  • Es zeigt, dass „auch eine Zelle ohne Stoffwechsel existieren kann“

Wie das Winz-Genom bestätigt wurde

• Das Forschungsteam sammelte im Pazifik einen Dinoflagellaten namens Citharistes regius und analysierte ihn
  • Diese Alge beherbergt im Inneren symbiotische Cyanobakterien
• Bei der Genomanalyse wurde die DNA-Sequenz eines neuen Archaeons entdeckt
  • Mit 238.000 Basenpaaren ist sie etwa halb so groß wie das bisher kleinste bekannte Archaeon (Nanoarchaeum equitans)
• Eine erneute Überprüfung mit mehreren Techniken und Software-Tools bestätigte, dass es sich um ein vollständiges zirkuläres Genom handelt
• Das neue Lebewesen wurde Candidatus Sukunaarchaeum mirabile genannt
  • Der Name kombiniert den Zwerggott „Sukunabikona“ aus der japanischen Mythologie mit dem lateinischen Wort für „wunderlich“

Das Spektrum quasi-lebendiger Formen

• Sukunaarchaeum besitzt nur ein Minimum an Proteinen für die Replikation
  • Stoffwechselgene fehlen fast vollständig
• Es gehört zur Gruppe der DPANN-Archaeen, die allgemein als Symbionten bekannt sind, die an der Oberfläche von Wirtszellen haften
  • Sukunaarchaeum besitzt jedoch selbst unter ihnen das am extremsten reduzierte Genom
• Einige Forschende analysieren dieses Lebewesen als parasitär geprägt
  • Es kann keine Stoffwechselprodukte bereitstellen und bezieht Ressourcen einseitig vom Wirt
• Andere ultrakleine Bakterien wie Carsonella ruddii haben zwar ein noch kleineres Genom, behalten aber Stoffwechselfunktionen für ihren Wirt bei
  • Sukunaarchaeum hingegen hat nur die Replikationsfunktion bewahrt und die Stoffwechselfunktion verloren
• Anders als Viren besitzt es einen eigenen genetischen Expressionsapparat wie etwa Ribosomen
  • Darin liegt ein grundlegender Unterschied zu Viren

Debatte über die Definition von Leben

• Die Forschenden bewerten Sukunaarchaeum als nicht unabhängig lebensfähig
  • Da aber auch Zellorganellen wie Mitochondrien nicht unabhängig lebensfähig sind, ist die Grenze der Lebensdefinition unscharf
• Diese Entdeckung wirft die philosophische und biologische Frage auf, „ab wann etwas als Leben bezeichnet werden kann“

Unbekannte minimale Lebensformen

• Ein erheblicher Teil des Genoms von Sukunaarchaeum stimmt mit keiner bekannten Sequenz überein
  • Er codiert große Proteine und könnte an der Interaktion mit dem Wirt beteiligt sein
• Ob der tatsächliche Wirt C. regius ist oder ein anderes Archaeon, ist nicht bestätigt
  • Auch ob es sich um eine äußerlich anhaftende oder intern symbiotische Form handelt, ist unklar
• Einige Forschende weisen auf die Möglichkeit hin, dass Stoffwechselgene wegen schneller Evolution nicht identifizierbar geworden sein könnten
• Bestehende Analysemethoden könnten solche ultrakleinen Genome als unvollständige Daten einstufen und ausschließen
  • Daher könnten ähnliche Lebewesen bereits existieren, aber übersehen worden sein
• Eine Suche in globalen Meeresdatenbanken ergab keine identische Sequenz, wohl aber zahlreiche ähnliche Sequenzen
  • Sukunaarchaeum könnte nur ein Teil einer riesigen mikrobiellen Vielfalt sein
  • Mikroorganismen parasitieren aufeinander und bilden komplexe ökologische Beziehungsnetze

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Hacker-News-Kommentare

• Diese Entdeckung ist wirklich beeindruckend. Allerdings ist das hier das kleinste archaeale Genom, nicht das kleinste unter allen Bakterien
  In der Arbeit wird C. ruddii (159k Basenpaare) erwähnt, aber Nasuia deltocephalinicola scheint mit 112k Basenpaaren das kleinste bekannte bakterielle Genom zu haben

  • Interessant ist, dass andere ultrakleine Organismen zwar Stoffwechselprodukte für ihren Wirt herstellen, sich aber nicht selbstständig vermehren können
    Das hier entdeckte Sukunaarchaeum stellt dagegen nur die für seine eigene Replikation nötigen Proteine her und hat fast keine Funktionen für den Wirt
    Das 238-kbp-Genom kodiert also nur die minimal für die Replikation nötigen Proteine und enthält kaum stoffwechselbezogene Gene
    Die 159-kbp-Bakterien besitzen dagegen Gene zur Synthese von Aminosäuren und Vitaminen für ihren Wirt
  • Im Detail betrachtet ähneln Archaeen zwar Bakterien, gehören aber zu einer vollständig anderen Domäne des Lebens
  • Die Wahrscheinlichkeit, dass 112k Basenpaare zufällig in einer sinnvollen Kombination entstehen, ist praktisch null
    Es gibt verschiedene Hypothesen zum Ursprung des Lebens, aber es ist auch möglich, dass heutige Lebensformen diese Umwelt bereits „aufgefressen“ haben
    Oder man zieht grundlegendere Szenarien wie einen panspermischen Ursprung in Betracht

• Ich frage mich, ob Replikation nicht der wichtigste metabolische Vorgang eines Lebewesens ist
  Sukunaarchaeum kann zwar keine Nährstoffe selbst synthetisieren oder wachsen, behält aber die für die Replikation nötigen Gene
  Es kann also Energie und Material vom Wirt beziehen und damit seine eigene Replikationsassemblierung durchführen
  Die zentrale Frage ist, in welcher bereits „fertigen“ Form der Wirt die Rohstoffe liefert und wie diese Archaeon sie zur Replikation nutzt

  • Viele parasitäre Organismen zeigen eine ähnliche Abhängigkeit. Trotzdem betrachten wir sie nicht als „unbelebt“
    Letztlich geht es darum, wo man die Grenze der „Selbstständigkeit“ zieht
  • In gewisser Weise wirkt diese Zelle wie eine Zwischenform zwischen Bakterium und Virus
    So wie Viren die Zellmaschinerie ihres Wirts „kapern“, ist auch dieses Archaeon tief vom Stoffwechsel seines Wirts abhängig

• Zur Frage „Ist das nicht einfach ein Virus?“: In der eigentlichen Arbeit wird ausdrücklich erwähnt, dass Gene vorhanden sind, die tRNA und rRNA kodieren
  Das ist ein biologisches Merkmal, das es klar von Viren unterscheidet
  Der Originaltext ist im bioRxiv-Paper zu finden

• Das Genom von Carsonella ruddii umfasst etwa 159.000 Basenpaare (etwa 40 KB) und wirkt wie eine Art „minimale Zell-Firmware-Größe“
  Bei einer so einfachen Zelle fragt man sich, ob sich die Funktion jedes einzelnen Basenpaars vollständig entschlüsseln ließe
  Eine interaktive Website, die das visualisiert, wäre spannend

  • Ich frage mich auch, ob Genetiker epigenetische Methylierung als Teil der genetischen Information mitzählen
  • Solche ultrakleinen Genome wirken fast wie eine biologische Version von sectorlisp

• Laut der Arbeit ist Candidatus Sukunaarchaeum mirabile ein neues Archaeon mit einem ultrakleinen 238-kbp-Genom
  Das ist weniger als halb so groß wie das bislang kleinste bekannte archaeale Genom

  • Zum Vergleich: Das kleinste bakterielle Genom, Nasuia deltocephalinicola, liegt bei etwa 139 kbp

• Die Formulierung „schockierte Forschende“ im Artikel wirkt etwas übertrieben
  Es fühlt sich fast wie ein YouTube-Skript von ‚Biohacker Lab‘ an

  • Trotzdem ist es tatsächlich eine bemerkenswerte Entdeckung

• Wenn die zwei Kerneigenschaften des Lebens Homöostase und Reproduktion sind, könnte man diese Zelle, die beides verloren hat, auch als unbelebte Materie sehen

  • Aber eine solche Definition ist zu starr
    Für die Definition von Leben gibt es keinen allgemein akzeptierten Maßstab; oft beschreibt man es nur als Bündel von Eigenschaften, die die eigene Existenz erhalten und stärken
  • Außerdem ist das eine eukaryotenzentrierte Perspektive
    Die Reproduktion einzelliger Organismen ist viel einfacher, und hier wäre der Ausdruck „obligater Kommensalismus“ passender
  • Wie sollte man dann die Replikation von Viren einordnen? Es ist ein zweistufiges System mit dem Wirt, und trotzdem gelten sie nicht als Leben
  • Tatsächlich lagern viele Lebensformen ihre Homöostase dank ihrer Umwelt gewissermaßen „aus“. Auch Menschen könnten allein nicht überleben

• Ich frage mich, woher dieses Archaeon ATP bekommt
  Wenn es fast keine metabolischen Funktionen hat, ist es sehr wahrscheinlich vollständig auf die Energieversorgung durch den Wirt angewiesen

• Ich denke, das Genom funktioniert wie eine Art „Konfigurationsdatei“
  Die Zelle selbst verfügt bereits über eine komplexe Maschinerie, und das Genom besteht nur aus Flags und Einstellwerten, die sie steuern
  Deshalb kann es irreführend sein, allein anhand der Genomgröße über die Komplexität des Lebens zu urteilen

• Die Definition von Leben ist zu eng gefasst
  Ich würde sagen: Alles, was sich durch Replikation und genetische Variation weiterentwickeln kann, ist Leben
  Es fällt mir schwer nachzuvollziehen, warum Viren nicht als lebendig gelten sollen

  • Aber auch diese Definition hat Probleme
    Sind unfruchtbare Tiere oder rote Blutkörperchen ohne Gene dann nicht lebendig?
    Und umgekehrt: genetische Algorithmen oder Manuskripte besitzen ebenfalls Replikation und Variation — sind sie dann auch Leben?
  • Eigentlich würden sogar Atome, Maschinen und Flammen unter diese Definition fallen
    Letztlich ist „Leben“ wohl nur ein komplexes System, das mithilfe von Energieflüssen seine Form erhält und reproduziert, ohne klar definierte Grenze