Метод на основе биоинформатики расшифровывает скрытых разрушителей древесины и листьев

от

Когда дерево умирает, оно становится основой для новой жизни: в медленном, невидимом процессе листья, древесина и корни постепенно разлагаются — не под воздействием ветра или погоды, а благодаря миллионам крошечных организмов.

Грибы пробираются через мёртвую древесину и разрушают клеточные стенки. Мелкие животные, такие как личинки насекомых и клещи, прогрызают ткани. И в этом процессе происходит нечто очень важное: углерод, хранящийся в растении, высвобождается, в конечном итоге снова становясь доступным для растений с целью фотосинтеза.

Но что именно отвечает за выполнение этой задачи в глобальном углеродном цикле? И какие молекулярные инструменты используют для этого организмы?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи разработали новый метод на основе биоинформатики, который они представили в Molecular Biology and Evolution.

Метод fDOG

Метод, получивший название fDOG (Feature architecture-aware directed ortholog search), позволяет искать в генетическом материале различных организмов гены, которые произошли от одного и того же гена-предшественника. Предполагается, что эти гены, известные как «ортологи», кодируют белки со сходными функциями.

Для текущего исследования учёные искали гены ферментов, разрушающих клеточные стенки растений (PCDs). В отличие от предыдущих методов, fDOG не только просматривает массивы геномной информации, но и анализирует архитектуру найденных белков — то есть их структурный состав, который многое говорит о функции фермента.

«Мы начинаем с гена одного вида, называемого семенем, а затем просматриваем десятки тысяч видов в поисках ортологичных генов», — объясняет Инго Эберсбергер, профессор прикладной биоинформатики в Университете имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте.

«В процессе мы постоянно отслеживаем, не отличаются ли найденные нами гены, возможно, от семени по функциям и структуре — например, за счёт потери или приобретения отдельных функциональных областей», — добавляет он.

Результаты исследования

Исследовательская группа использовала этот метод для поиска более чем 200 потенциальных кандидатов PCD у более чем 18 000 видов из всех трёх доменов жизни — бактерий, архей и эукариот (растений, животных, грибов). В результате была создана подробная глобальная карта — с беспрецедентной точностью — ферментов, способных разрушать клеточные стенки растений.

Исследователи разработали специальные методы визуализации для анализа огромных объёмов данных и выявления закономерностей. Это позволило обнаружить характерные изменения в репертуаре ферментов у изучаемых грибов, указывающие на изменение образа жизни некоторых видов грибов: от разлагающего — то есть разрушения мёртвых растений — к паразитическому образу жизни, при котором они поражают живых животных.

Такие эволюционные переходы отражаются в характерных паттернах потери ферментов.

Неожиданное открытие в животном мире

Особым сюрпризом в животном мире стало открытие того, что некоторые членистоногие обладают неожиданно широким спектром ферментов, разрушающих клеточные стенки растений.

Эти ферменты, по-видимому, произошли от грибов и бактерий и проникли в геном беспозвоночных посредством прямого переноса генов между различными организмами — то есть горизонтального переноса генов. Это говорит о том, что они могут независимо расщеплять растительный материал и не зависят от бактерий в своём кишечнике, как предполагалось ранее.

В другом случае выяснилось, что потенциальные гены PCD в проанализированной последовательности могли быть приписаны микробному загрязнению — важный признак того, что такие данные необходимо тщательно проверять.

Значение исследования

Исследование показывает, как fDOG можно использовать для систематического картирования биологических возможностей по всему древу жизни — от широких обзоров до детального изучения отдельных видов. С помощью этого метода можно как отслеживать эволюционные траектории, так и выявлять игроков, ранее упускавшихся из виду в глобальном углеродном цикле.

Поскольку почвы содержат большое количество мёртвого растительного материала и, следовательно, являются крупнейшим наземным поглотителем углерода, разложение растительного материала является важным фактором глобального углеродного цикла.

«Наш метод даёт нам свежий взгляд на то, как метаболические возможности распределены по древу жизни», — говорит Эберсбергер. «Теперь мы можем проводить многоуровневые анализы и в процессе обнаруживать как недавние эволюционные изменения, так и крупные закономерности».

Предоставлено Университетом имени Иоганна Вольфганга Гёте во Франкфурте-на-Майне.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте