Исследователи количественно оценили скорость важного эволюционного процесса в океане

Движение генетического материала между организмами, которые не являются прямыми родственниками, является важным фактором эволюции, особенно среди одноклеточных организмов, таких как бактерии и археи. Группа учёных под руководством исследователей из Лаборатории океанических наук Биглоу оценила, что средняя клеточная линия приобретает и сохраняет примерно 13% своих генов каждые миллион лет посредством латерального переноса генов. Это эквивалентно обмену примерно 250 генами на литр морской воды каждый день.

Новое исследование

Новое исследование, недавно опубликованное в журнале The ISME Journal, представляет первый количественный анализ скоростей переноса генов во всём микробиоме. Оно ставит под сомнение строгие классификационные границы, проведённые между отдельными видами, и подтверждает, что многие перенесённые гены имеют прямую экологическую пользу. Это подчёркивает, как этот процесс позволяет микробам адаптироваться к новым условиям среды и наделяет их ценными возможностями, такими как доступ к необходимым питательным веществам.

Сложность изучения процесса

«Все процессы, которые микробы запускают на нашей планете, эволюционировали, и эта эволюция в значительной степени обусловлена латеральным переносом генов, но этот процесс очень трудно изучать, и никто не мог дать количественную оценку этому процессу», — сказал старший научный сотрудник лаборатории Биглоу Рамунас Степанаускас, ведущий автор исследования. «Мы знаем в целом, как он работает, но мы понятия не имели, происходит ли обмен генами в капле морской воды раз в минуту, раз в год или раз в миллион лет? Это было совершенно неизвестно — до сих пор».

Механизмы латерального переноса генов

Гены могут передаваться латерально с помощью различных механизмов, включая поглощение плавающего генетического материала из окружающей среды, прямой перенос между клетками и инъекцию чужеродной ДНК в хозяина вирусом.

Учёные пытались количественно оценить эти процессы, учитывая огромное разнообразие микробной жизни. Традиционные подходы «эволюционного дерева» можно использовать для изучения переноса специфических, широко распространённых генов — по горстке за раз, — но они непрактичны для изучения всей экосистемы.

Развитие вычислительного моделирования

Достижения в области вычислительного моделирования и геномики отдельных клеток позволили учёным начать отвечать на эти вопросы. Команда использовала геномы 12 000 случайно отобранных микробных клеток из тропического и субтропического поверхностного океана, секвенированные командой Степанаускаса в Центре геномики отдельных клеток (SCGC). Уникальный набор данных является одним из крупнейших собраний микробных геномов, когда-либо созданных.

Они сравнили распределение общих генов в этих реальных данных с компьютерной моделью, которая предполагала, что гены могут передаваться только вертикально между родителями и потомством, а не латерально.

«Этот проект предоставил прекрасную возможность по-новому взглянуть на то, как измерить важный, но трудноуловимый эволюционный процесс, который формирует микробный компонент экосистем во всём мире», — сказал Сиаваш Мирараб, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования, чья команда возглавила разработку модели.

Результаты исследования

Подход подтвердил, что большинство генов обмениваются между близкородственными клетками, но не все. Некоторые гены с очевидной экологической ценностью могут успешно передаваться между микробами, которые связаны друг с другом так же отдалённо, как люди и кенгуру. Например, они обнаружили доказательства того, что микробы приобретают новые гены, которые позволяют им использовать новые источники фосфора в ограниченном фосфором Саргассовом море.

Результаты также показывают доказательства обмена генами, которые кодируют рибосомальную РНК, клеточный механизм, ответственный за синтез белка. Это было удивительно, учитывая, что эти гены часто используются в качестве показателей биологического разнообразия именно потому, что учёные предполагали, что они не участвуют в латеральном переносе.

В будущем команда надеется расширить этот подход на новые среды и выявить различия между линиями, механизмами переноса и экосистемами. Эта работа может иметь значительные биотехнологические последствия, раскрывая, как природа эффективно и быстро адаптирует клетки к различным средам и процессам. С этой целью SCGC постоянно совершенствует и наращивает свои аналитические возможности для проведения крупномасштабных исследований, которые потребуются для этой работы.

«Ответить на эти вопросы стало возможно, но только если мы сможем продолжить совершенствовать наш инструментарий моделирования», — сказал Мирараб.

«Я вижу это как только начало», — добавил Степанаускас. «У нас наконец-то появились достаточные данные, чтобы начать проводить такого рода количественный анализ, но нам ещё предстоит пройти гораздо дальше, чтобы сказать, как часто определённые виды микробов это делают, какие процессы задействованы и как мы можем использовать эти знания в управлении окружающей средой и биоэкономике».

Предоставлено Лабораторией океанических наук Биглоу.

Источник