Виявлено майже повна відсутність еволюції у одній з бактерій
Вчені проаналізували геноми глибинних бактерій Candidatus Desulforudis audaxviator зі зразків, зібраних в різні роки в різних точках планети: в Азії, Південній Африці та Північній Америці. На подив дослідників, представники різних популяцій дуже мало відрізнялися один від одного, повідомляє N+1.
Малоймовірно, що Candidatus Desulforudis audaxviator змогли подолати такі великі простори по повітрю або по воді, а значить, їх геном залишався стабільним протягом багатьох мільйонів років. Робота опублікована в The ISME Journal.
Розуміння механізмів і темпів еволюції мікроорганізмів важливо для вчених: ця інформація може допомогти ефективніше боротися інфекційними захворюваннями, застосовувати біотехнології для відновлення навколишнього середовища і краще розуміти різноманітність форм життя. Сучасні уявлення про еволюцію бактерій в більшості засновані на вивченні геномів невеликої кількості швидко змінюються видів, в основному - патогенів та симбіонтів людини.
Мікроорганізми, що вирощуються в лабораторних умовах, не обділені поживними речовинами, зміна поколінь у них відбувається в лічені дні або навіть хвилини, і для накопичення нуклеотидних замін або придбання генів їм достатньо кількох років. Останнім часом прогрес у вивченні мікроорганізмів навколишнього середовища показує, що лабораторні моделі можуть бути не ідеальними для вивчення бактерій і архей в цілому. Різні організми можуть дотримуватися абсолютно різних життєвих стратегій, які можуть вплинути на швидкість їх еволюції.
Майже невивчені до недавнього часу, глибинні мікроорганізми займають близько 10 відсотків всієї біомаси на планеті. Серед них є багато ще не охарактеризованих видів. Багато з них виживають на небагатих енергією ресурсах, і зміна поколінь відбувається раз на кілька місяців, а часом і десятків років. Бактерії Candidatus Desulforudis audaxviator, які були виявлені глибоко під землею, стали одними з модельних мікроорганізмів для вивчення життя в таких умовах.
Група вчених під керівництвом Рамунаса Степанаускаса (Ramunas Stepanauskas) вивчила геноми Candidatus Desulforudis audaxviator зі зразків, отриманих в різні роки в віддалених одна від одної точках планети. Дослідники очікували виявити генетичні відмінності між геномами бактерій з різних популяцій, ознаки пристосування до місцевих умов довкілля. На їхнє здивування, геномні послідовності виявилися практично ідентичними між собою. Середня ідентичність нуклеотидів в попарних порівняннях перевищувала 99,5 відсотка.
Проте автори роботи виявили 21 унікальний для того чи іншого місця походження зразків ген. Ці гени були частково гомологічні гени інших підземних мікроорганізмів. Відповідно, горизонтальне перенесення генів, хоч і нечастий, але все ж грає роль в геномної різноманітності Candidatus Desulforudis audaxviator.
Крім того, вчені помітили 33 регіону CRISPR зі 138 унікальними спейсерами. Спейсери були на 100 відсотків ідентичні один одному: однаковими були та послідовність ділянок, і їх нуклеотидні послідовності. Вчені не виявили у бактерій нових спейсерів, які могли б виникнути у відповідь на недавні інфекції. Автори вважають це дивним, враховуючи, що гени CRISPR вважаються вкрай швидко змінюються.
Таким чином, геноми Candidatus Desulforudis audaxviator з трьох різних континентів виявилися напрочуд схожі між собою. Автори роботи виключили припущення, що зразки були якимось чином забруднені або змішані між собою: важко уявити умови, при яких змішалися б зразки, отримані та проаналізовані, наприклад, в США у 2005 році та в Росії у 2018 році. Дослідники, які збирали зразки в Сибіру, ніколи не бували в Південній Африці або Каліфорнії, і навпаки.
Вчені розглянули можливість природного перенесення бактерій на такі великі відстані. Однак Candidatus Desulforudis audaxviator, швидше за все, не можуть подорожувати по повітрю у вегетативному стані - у цих бактерій немає генів, які здатні захистити їх від руйнівного впливу кисню. Чи не могли, швидше за все, вони переміститися з континенту на континент і з водою: Candidatus Desulforudis audaxviator не виживають в солоній воді, і не були виявлені в глибоководних течіях.
Житла популяцій Candidatus Desulforudis audaxviator, які брали участь в дослідженні, розділені вже як мінімум 55 мільйонів років: тоді Північна Америка відокремилася від Євразії. Африка ж відокремилася від суперконтиненту Лаврентія 165 мільйонів років. Поділ популяцій Candidatus Desulforudis audaxviator могло статися за часів розколів суперконтинентів, і виходить, що ці бактерії демонструють видатну стабільність свого геному.
Вчені спробували з'ясувати, в чому ж причина майже відсутності еволюції у цих бактерій. Candidatus Desulforudis audaxviator рідко формують спори (тобто майже постійно метаболічно активні), і період подвоєння у них - не більше десяти років. Автори також не побачили в геномах бактерій ознак сильного селективного відбору. Можливим поясненням - добре розвинені механізми репарації ДНК. Геном Candidatus Desulforudis audaxviator кодує як мінімум сім таких систем. Крім того, у цих бактерій є білки, які зв'язуються з ДНК: можливо, вони теж знижують темпи мутації. І наостанок, дві з трьох полімераз (ферментів, що здійснюють синтез ДНК) бактерії не вдалося проаналізувати в лабораторних умовах - ймовірно, вони мають високу точність.
Candidatus Desulforudis audaxviator - хемоавтотрофи, які харчуються продуктами радіолізу (процесу розкладання води під дією іонізаційного випромінювання). Раніше вчені показали, що морський грунт каталізує радіоліз і допомагає прогодуватися морським бактеріям.