Nächste Verwandte der Eukaryoten im Labor gezüchtet

Zwei Stämme von Archaeen, die zur engsten bekannten Verwandtschaft der Eukaryoten gehören, sind erstmals im Labor gezüchtet worden. Beide Stämme leben streng ohne Sauerstoff, bauen Peptide ab und besitzen keine dauerhaften inneren Membranstrukturen. Ein Team um Hiroyuki Imachi, Masaru K. Nobu und Shun’ichi Ishii berichtet das in der Fachzeitschrift Nature.

Eukaryoten sind alle Lebewesen mit Zellkern, also Tiere, Pflanzen, Pilze und Einzeller. Ihre Zellen gelten als Nachkommen einer Archaee, die ein Bakterium aufnahm, aus dem später das Mitochondrium wurde. Als wahrscheinlichster Vorfahre gilt eine Linie aus dem Archaeen-Stamm Promethearchaeota, früher Asgard-Archaeen genannt. Bisher gezüchtete Vertreter waren mit den Eukaryoten aber nur entfernt verwandt.

Die neuen Stämme heißen HC1 und SC1. Sie gehören zu den Heimdallarchaeia, der Gruppe, die im Stammbaum den Eukaryoten am nächsten steht. Ob Merkmale der bisher gezüchteten Archaeen für den Ursprung der Eukaryoten relevant sind, war bislang Gegenstand einer Debatte.

Aus einem Biofilm im Salzwasser gezüchtet

Die Forschenden isolierten beide Stämme aus einem Biofilm, der in sauerstofffreiem Salzwasser aus dem tiefen Untergrund lag, aber stündlich mit Luft in Berührung kam. Beide gehören zur Ordnung Hodarchaeales. HC1 wuchs in einer reinen Zweierkultur, SC1 in einer Dreierkultur mit methanbildenden Partnern.

Die Archaeen leben syntroph, das heißt, sie sind auf die Stoffwechselprodukte ihrer Partner angewiesen. Als Nahrung dienten ihnen Proteine, genauer Casaminosäuren und Milchpulver in sehr geringer Konzentration. Der Abbau von Aminosäuren und Peptiden in Partnerschaft mit anderen Organismen kommt nach früheren Beobachtungen im ganzen Stamm vor. Damit sich keine anderen Organismen durchsetzten, enthielt das Nährmedium fünf Antibiotika, darunter Ampicillin, Vancomycin und Kanamycin.

Das Team untersuchte die Zellen mit Lichtmikroskopie, Kryo-Elektronenmikroskopie und einem Verfahren namens Quick-Freeze-Deep-Etch-Replika-Elektronenmikroskopie. Hinzu kamen Genomvergleiche, Strukturvorhersagen mit AlphaFold3 und Analysen der Zuckerreste an Proteinen. Auf der Zelloberfläche fanden sie regelmäßige Strukturen, die einer S-Schicht ähneln, einer bei Archaeen verbreiteten Proteinhülle. Die Vorhersagen ergaben, dass die S-Schicht-Proteine vierteilige Komplexe mit einer zentralen Pore bilden und mit Zuckerresten besetzt sind wie bei anderen Archaeen.

Fortsätze statt innerer Membranen

Beide Stämme bilden Zellfortsätze und Bläschen, besitzen aber keine dauerhaften inneren Membranstrukturen. Das gilt auch für die ebenfalls gezüchteten Promethearchaeales. Alle bisher isolierten Promethearchaeota richten ihr Verhalten eher auf den Aufbau von Zelle und Membranen als auf die Teilung, anders als typische Prokaryoten.

Die Fortsätze machen einen großen Teil der Zelle aus. Im Mittel umfassten sie etwa 1,7 µm³ oder 142 Prozent des Zellkörpers. Zellen und Fortsätze sind flexibel und schwanken durch Brownsche Bewegung. In Zellen, die sich teilen, kommen die Fortsätze nicht vor. Die Forschenden schließen daraus, dass Fortsatzbildung und Zellteilung einander ausschließen. Sie vermuten, dass die Fortsätze samt Aktinfilamenten auch Nährstoffe, Energie und Bausteine für eine spätere Teilung speichern. Ob eine Verwandtschaft zu ähnlichen Speicherfunktionen in Eukaryotenzellen besteht, ist unklar.

Sauerstoff: Gene für Atmung, aber keine Atmung

Die Forschenden untersuchten besonders den Umgang mit Sauerstoff. Stamm HC1 trägt Gene, die mit aerobem Leben verbunden sind, etwa für die Cytochrom-c-Oxidase (Cox). Dennoch wachsen die Kulturen weder bei Spuren von Sauerstoff noch bei einem Sauerstoffanteil von 1 % im Gasraum. Die Zelldichte sank dann um etwa zwei Größenordnungen.

Waren dagegen aerobe Bakterien in der Kultur, wuchs HC1 auch ohne Reduktionsmittel unter Spuren von Sauerstoff. Die Bakterien Alcanivorax sp. AC und Mariniphaga sp. PC stammten aus den Anreicherungskulturen. Die Forschenden deuten das so, dass die Cox den Sauerstoff entgiftet, statt mit ihm zu atmen.

Ein Genvergleich legt nahe, dass auch die anderen bisher untersuchten Heimdallarchaeia mit Cox Sauerstoff wahrscheinlich nicht veratmen. Bei HC1 sind die Hydrogenasen nach Homologie zu anderen Archaeen möglicherweise sauerstofftolerant, der Stoffwechsel bleibt aber auf Ferredoxin zentriert, ein Kennzeichen anaerober Energiegewinnung.

Einordnung

Die Entdeckung der Asgard-Archaeen vor etwa zehn Jahren hat nach einer Übersichtsarbeit in The EMBO Journal von 2026 das Bild der Archaeen-Evolution und des Ursprungs der Eukaryoten stark verändert. Asgards gelten demnach als die engsten prokaryotischen Verwandten der Eukaryoten. Dafür sprechen viele Proteine in ihren Genomen, die sonst für Eukaryoten typisch sind.

Vor den neuen Kulturen war unklar, wie die Zellen dieser Archaeen gebaut sind und welchen Stoffwechsel sie haben. Manche Studien nahmen aus dem Vorkommen der vielen Eukaryoten-Proteine an, dass der archaeelle Vorfahr schon ein komplexes Zellinneres mit Endomembransystem besaß. Andere Arbeiten schlossen aus Metagenomen auf sehr unterschiedliche Lebensweisen der Gruppe, etwa Autotrophie, Organotrophie und Phototrophie über Rhodopsin. Auch eine Atmung mit Sauerstoff wurde für den gemeinsamen Vorfahren diskutiert, weil manche Heimdallarchaeia Terminaloxidasen tragen. Das würde einige Modelle der Eukaryotenentstehung deutlich verändern, die einen anaeroben Wirt mit einem sauerstoffatmenden Partner annehmen.

Eine Übersichtsarbeit im Fachblatt Extremophiles hielt 2022 fest, dass Asgard-Archaeen häufig in sauerstoffarmen Gewässersedimenten vorkommen. Zu den dominanten Gruppen in salzigen Lebensräumen zählen demnach Loki-, Thor- und Heimdallarchaeota. Sie könnten dort organisches Material ohne oder mit wenig Sauerstoff abbauen. Die neuen Stämme stammen aus einem Biofilm in sauerstofffreiem Salzwasser aus dem tiefen Untergrund und wachsen nur ohne Sauerstoff.

Das Team stellt seine Funde den früher gezüchteten Stämmen gegenüber Promethearchaeum syntrophicum MK-D1, „Ca. L. ossiferum“ und „Ca. N. marumarumayae“. Anaerobier-Dasein, fehlende dauerhafte innere Strukturen und Membranfortsätze finden sich bei allen gezüchteten Vertretern. Die Forschenden folgern, dass der archaeelle Vorfahr der Eukaryoten ein Anaerobier gewesen sein könnte, der Peptide abbaute und Wasserstoff bildete, keine dauerhaften inneren Strukturen besaß, aber Membranfortsätze hatte. Das Szenario beruht auf Kulturen. Danach wäre der Übergang von Archaeen zu Eukaryoten mit einem steilen Wandel der Zellstruktur und einem Wechsel von Anaerobiose zu (fakultativer) Aerobiose einhergegangen. Die frühen Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mitochondrien-Vorläufer fänden dann wahrscheinlich bei wenig Sauerstoff statt und wären zumindest teilweise von Sauerstoffentgiftung vermittelt.

Wie belastbar ist das?

• Es handelt sich um eine Laborstudie an Kulturen zweier Archaeenstämme, nicht um eine Untersuchung an Menschen oder Tieren.
• Der Umfang liegt bei zwei isolierten Stämmen, die nur in Kokulturen mit Partnerorganismen wachsen. Wie typisch sie für alle Heimdallarchaeia sind, zeigt die Studie nicht abschließend.
• Die Rückschlüsse auf den gemeinsamen Vorfahren von Archaeen und Eukaryoten sind ein Szenario, abgeleitet aus Kulturen und Genomvergleichen, kein direkter Nachweis.
• Zu Förderern und Interessenkonflikten nennt der vorliegende Beleg keine Angaben.

Offene Fragen

Offen bleibt zunächst, wie die Zellen der Heimdallarchaeia insgesamt aufgebaut sind, denn bisher wurden nur zwei Stämme der Ordnung Hodarchaeales untersucht. Das Team nennt die Zucht weiterer Vertreter aus sauerstoffexponierten Lebensräumen als wichtigen Schritt, um zu klären, welche Zellstrukturen und Stoffwechselwege für den Vorfahren der Eukaryoten relevant waren.

Das Team nennt die vermutete Speicherrolle der Fortsätze ausdrücklich Spekulation. Ob die Gruppe in anderen Lebensräumen ähnlich lebt, hat die Studie nicht geprüft.

Weitere Quellen

• Übersichtsarbeit: Asgard archaea: have we found our microbial ancestors?, The EMBO journal (2026). Quelle, abgerufen am 29.10.2026
• Übersichtsarbeit: Asgard archaea in saline environments, Extremophiles (2022). Quelle, abgerufen am 29.10.2026

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