Japan züchtet die engsten Verwandten komplexen Lebens, und sie haben keinen Zellkern

Die nächsten lebenden Verwandten aller Tiere, Pflanzen und Pilze der Erde wachsen jetzt in einem Labor in Japan – und sie sehen ganz anders aus als der Vorfahre, den viele Biologen sich vorgestellt hatten. Ein Team der JAMSTEC, der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, hat die ersten Reinkulturen von Heimdallarchaeia gezüchtet, einer Gruppe einzelliger Archaeen, aus denen vermutlich die komplexen Zellen hervorgingen. Im Inneren sind die Zellen schlicht: kein Zellkern, keine inneren Kompartimente, nichts, was an die Organellen erinnert, die unsere eigenen Zellen ausmachen.

Die Überraschung liegt außen. Jede Zelle treibt lange, verzweigte Arme aus, mit denen sie Partner-Mikroben packt, ohne die sie nicht leben kann, und die Zellen werden krank, wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden, obwohl sie Gene für dessen Verarbeitung besitzen. Zusammen zeichnen diese Merkmale das Bild unseres tiefsten einzelligen Vorfahren als eines langsamen, sauerstoffscheuen Mikroben, der in Partnerschaft lebte – nicht als Miniaturversion der komplexen Zelle, die er eines Tages werden sollte.

Der Fund betrifft eine der ältesten Fragen der Biologie: Wie wurde aus einer einfachen Zelle ohne Zellkern die komplexe eukaryotische Zelle, aus der jeder menschliche Körper besteht? Die führende Antwort besagt, dass eine Archaeen-Zelle eine enge Partnerschaft mit einem Bakterium einging, das schließlich verschluckt wurde und zum Mitochondrium wurde, dem Kraftwerk in unseren Zellen. Welche Archaeen-Linie der Wirt war und wie sie beschaffen war, wird seit Jahren hauptsächlich anhand von DNA-Fragmenten aus Schlamm und Meerwasser diskutiert.

Heimdallarchaeia stehen im Zentrum dieser Debatte. Sie gehören zum Stamm Promethearchaeota, besser bekannt unter ihrem früheren Namen Asgard-Archaeen, und genetische Stammbäume sehen sie als den eukaryotischen Zellen am nächsten stehenden Archaeen-Zweig. Bislang hatte niemand eine lebende Zelle aus der Nähe gesehen, daher stützten sich Vorschläge, sie hätten bereits komplexe innere Strukturen oder könnten Sauerstoff atmen wie wir, allein auf Genom-Analysen.

So gelang die Züchtung

Die Mikroben stammen von einem ungewöhnlichen Ort: einem Biofilm, der die Innenseite einer Erdgasquelle auf der Boso-Halbinsel in der Präfektur Chiba östlich von Tokio überzieht. Dort quillt salziges, methanreiches Grundwasser auf und bricht periodisch wie ein kleiner Geysir hervor, sodass der Film regelmäßig der Luft ausgesetzt ist. Das Team wählte den Standort bewusst aus, in der Hoffnung, Verwandte der Eukaryoten zu finden, die eine gewisse Erfahrung mit Sauerstoff hatten.

Die Züchtung dauerte drei Jahre. Die Forscher fütterten die Kulturen mit winzigen Mengen proteinreicher Nahrung, darunter Casaminosäuren, Pepton und Milchpulver, und setzten Antibiotika ein, um konkurrierende Bakterien abzutöten, wobei sie die Überlebenden immer wieder auf frisches Medium übertrugen. Das Ergebnis waren zwei Stämme, HC1 und SC1 genannt. HC1 lebt nun in einer stabilen Paarung mit einem einzelnen methanproduzierenden Partner-Mikroben; SC1 lebt in einem Trio mit zwei solchen Partnern.

Es sind keine schnellen Wachser. HC1 braucht etwa eine Woche oder länger, um sich zu verdoppeln, SC1 zwei bis drei Wochen. Ein Darmbakterium wie E. coli kann sich in etwa 20 Minuten verdoppeln. Das Team untersuchte die Zellen anschließend mit Raster- und Transmissionselektronenmikroskopen, Kryo-Elektronentomographie, die eine gefrorene Zelle in 3D rekonstruiert, sowie Fluoreszenzmarkierung und sequenzierte beide Genome, die 7,91 bzw. 6,75 Millionen DNA-Buchstaben umfassen.

Einfach innen, geschäftig außen

In Dutzenden von elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigte keiner der beiden Stämme eine permanente innere Membran, das Kennzeichen eukaryotischer Zellen. Einige wenige Zellen enthielten kleine blasenartige Strukturen, die kamen und gingen, aber keinen Zellkern, kein endoplasmatisches Retikulum und nichts, was ein Zellbiologe als Organell bezeichnen würde. Die Zellen teilen sich wie gewöhnliche Mikroben in zwei Teile.

Ihre Oberflächen erzählten eine andere Geschichte. Nach einer Wachstumsphase bildeten die meisten Zellen mehrere Arme von etwa 370 Nanometern Dicke aus, die sich verzweigen und ausbeulen, und diese Arme hatten oft ein größeres Volumen als der Zellkörper selbst, im Durchschnitt etwa das 1,4-Fache. Die Arme waren von Filamenten durchzogen, die an Actin erinnern, das Protein, das unseren eigenen Zellen ihre Form verleiht, und sie hefteten sich physisch an die Partner-Mikroben. Zellen, die sich gerade teilten, hatten sie nie.

Diese Partnerschaft ist nicht optional. Beide Stämme bauen Proteinfragmente ab und geben Wasserstoff als Abfallprodukt ab, eine Reaktion, die ins Stocken gerät, wenn nicht ein Partner den Wasserstoff ständig wegfängt. Als die Forscher die methanproduzierenden Partner mit einem Hemmstoff blockierten, stellten die Archaeen ihr Wachstum vollständig ein.

Ein weiteres Merkmal erregte die Aufmerksamkeit des Teams. Wenn HC1 mehr Nahrung bekam, teilte es sich nicht schneller. Stattdessen wurden seine Zellen größer und trieben mehr Arme aus. Großflächige Aufnahmen von rund 15.000 Zellen zeigten größere und zahlreichere Arme pro Zelle, und der Proteingehalt pro Zelle stieg von 66 auf 226 Femtogramm. Typische Bakterien und Archaeen stecken überschüssige Energie in die Fortpflanzung. Größe gegen Fortpflanzung einzutauschen, so die Autoren, ist etwas, was Eukaryoten tun.

Das Sauerstoff-Rätsel

HC1 trägt Gene für terminale Oxidasen, Enzyme, die bei Tieren am Ende der Kette sitzen, die Sauerstoff zur Energiegewinnung verbrennt. Einige Forscher hatten ähnliche Gene in der DNA von Heimdallarchaeia als Zeichen dafür gedeutet, dass der Vorfahre der Eukaryoten bereits Sauerstoff atmete. Die Kulturen sagen etwas anderes. Selbst die Zugabe von Spuren von Sauerstoff oder einer 1%igen Sauerstoffatmosphäre reduzierte die Zellzahlen von HC1 um etwa das Hundertfache.

HC1 konnte Sauerstoff nur mit Hilfe überleben. Als der Kultur sauerstoffzehrende Bakterien zugesetzt wurden, die aus der ursprünglichen Anreicherung isoliert worden waren, wuchs HC1 trotz niedriger Sauerstoffkonzentrationen, produzierte aber nicht mehr Zellen als zuvor. Sein Genom enthält auch nicht die Maschinerie, die nötig ist, um Elektronen von der Nahrung zum Sauerstoff zu leiten. Das Team schließt daraus, dass die Oxidasen als Abwehrmechanismus dienen, der Sauerstoff wegputzt, ähnlich wie bei anderen strikten Anaerobiern. Ferritin, ein Protein, das Sauerstoffschäden durch Eisen begrenzt, gehörte zu den drei am stärksten exprimierten Proteinen in HC1.

Ein genomweiter Test wies in die gleiche Richtung. Die Forscher trainierten einen Klassifikator auf Enzyme, die Organismen unterscheiden, die Sauerstoff benötigen, von solchen, die ihn meiden, und er sortierte bekannte Mikroben zu etwa 95 % korrekt ein. Angewendet auf den gesamten Asgard-Stamm, deutete er darauf hin, dass die Gruppe weitgehend anaerob ist, mit oder ohne Oxidase-Gene.

Das passt zu einer Idee, die als Ox-Tox-Modell bekannt ist: Das Bakterium, das zum Mitochondrium wurde, verdiente sich seinen Platz zunächst, indem es Sauerstoff aufnahm, der für seinen archaeellen Wirt giftig war, lange bevor es zum Energieversorger der Zelle wurde.

Was es nicht klärt

Diese Mikroben sind Cousins des Vorfahren, nicht der Vorfahre selbst. Sie hatten genauso lange Zeit, sich zu entwickeln wie wir, nach den meisten Schätzungen etwa zwei Milliarden Jahre, und jedes heute beobachtete Merkmal könnte im Laufe der Zeit erworben oder verloren worden sein. Die eigene Analyse des Teams deutet darauf hin, dass sauerstoffverarbeitende Gene seitwärts zwischen verwandten Gruppen übertragen wurden, sodass weiterhin offen ist, ob der Vorfahre sie überhaupt besaß.

Die Stichprobe ist ebenfalls klein. Nur drei Stämme aus diesem Zweig des Baumes wurden unter dem Mikroskop untersucht: HC1, SC1 und eine zuvor von einer anderen Gruppe beschriebene Anreicherungskultur. Allen dreien fehlen Organellen, aber eine so vielfältige Linie könnte Mitglieder mit aufwändigerem Inneren umfassen. Die gelegentlichen inneren Blasen in einigen Zellen haben noch keine Erklärung, und die Autoren bezeichnen sie weder als primitive Organellen noch als Artefakte.

Auch die Laborbedingungen spielen eine Rolle. Die Zellformen veränderten sich, wenn die Zellen für die Bildgebung chemisch fixiert wurden, und die Arme neigten zum Abbrechen – eine Warnung, die die Autoren selbst aussprechen, wenn es darum geht, die Anatomie aus konservierten Proben abzuleiten. Die Kulturen sind reine Paarungen und Trios mit Partnern, keine Einzelartkulturen, da die Archaeen nicht allein wachsen können.

Eine Linie, die nun Experimenten offen steht

Die JAMSTEC-Gruppe züchtete das erste Mitglied der weiteren Asgard-Gruppe, einen Stamm namens MK-D1 aus Tiefseesediment, und berichtete 2020 darüber. Im Jahr 2023 beschrieb ein Team in Wien einen zweiten, Lokiarchaeum ossiferum, mit ähnlichen Armen. Die neuen Stämme gehören zu dem Zweig, der den Eukaryoten am nächsten steht, wachsen schneller als MK-D1 und haben größere Zellen, was sie viel leichter zu untersuchen macht.

Das Team hat für beide Namen vorgeschlagen: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum für HC1, ein Gattungsname, der den Nachnamen von Lynn Margulis trägt, der Biologin, die die Theorie vertrat, dass Mitochondrien als eingefangene Bakterien begannen, und Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum für SC1.

Häufige Fragen zu den Archaeen hinter dem komplexen Leben

Was sind Asgard-Archaeen?

Asgard-Archaeen, jetzt offiziell Promethearchaeota genannt, sind eine Gruppe einzelliger Mikroben, die erstmals aus Umwelt-DNA identifiziert wurden und nach der nordischen Mythologie benannt sind. Ihre Genome tragen viele Gene, die einst als einzigartig für Eukaryoten galten, weshalb sie als die Linie angesehen werden, aus der komplexe Zellen hervorgingen.

Haben sich Menschen aus Archaeen entwickelt?

Im tiefsten Sinne ja. Das führende Modell besagt, dass sich die erste eukaryotische Zelle bildete, als ein Archaeon, das mit den heutigen Heimdallarchaeia verwandt ist, eine Partnerschaft mit einem Bakterium einging, das zum Mitochondrium wurde. Alle Tiere, Pflanzen und Pilze stammen von dieser verschmolzenen Zelle ab.

Haben Heimdallarchaeia einen Zellkern?

Nein. Die kultivierten Stämme HC1 und SC1 haben keinen Zellkern und keine permanenten inneren Membranen. Ihre Komplexität liegt außen, in langen verzweigten Armen, die sie mit Partner-Mikroben verbinden.

Können diese Archaeen mit Sauerstoff leben?

Kaum. Sie sind anaerob und ihre Anzahl sinkt bei Spuren von Sauerstoff um etwa das Hundertfache, aber ein Stamm überlebte niedrige Sauerstoffkonzentrationen, wenn sauerstoffzehrende Bakterien seine Kultur teilten.

Die Studie wurde am 28. Oktober 2026 in Nature veröffentlicht und erstmals im Februar 2025 als Preprint veröffentlicht. JAMSTEC erklärt, dass die beiden Stämme nun als experimentelle Modelle dienen werden, wobei sich das Team ihren Zellstrukturen und der Art und Weise zuwendet, wie sie sich an Partner-Mikroben binden, um nachzuvollziehen, wie eine Archaeen-Zelle mit Armen an der Außenseite schließlich einen Zellkern im Inneren aufbaute.

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

Schlagwörter: Archaeen, Asgard archaea, Eukaryoten, Evolution, Heimdallarchaeia, JAMSTEC