Бактерии из горячих источников раскрывают тайны эволюции ранней жизни и потенциала биотоплива

Бактерия Thermosynechococcus elongatus, обитающая в горячих источниках Японии, может помочь решить одну из загадок ранней эволюции сложных организмов. Это также может стать ключом к производству биотоплива в XXI веке.

Биохимики Алан Ламбовитц и Георг Мор начали исследовать эту цианобактерию, выживающую при температурах до 150°F (~65.5°C), обнаружив необычно высокий процент элементов, известных как групповые II интроны, в её генетической последовательности.

Интроны — загадочные элементы эволюции. До 1970-х считалось, что гены всех организмов непрерывны. Однако оказалось, что большинство генов эукариот (высших организмов, включая человека) прерывисты. Они состоят из кодирующих участков ДНК, разделённых областями — интронами.

Геномы "загружены" этими интронами, которые, как полагают, эволюционировали из геномных паразитов. Остаётся главным вопрос эволюции, почему эти интроны существуют и как они стали составлять такую большую часть человеческого генома.

Чтобы понять раннюю историю интронов, учёные исследуют бактерии, считающиеся первоначальным источником интронов. T. elongatus — единственная известная бактерия, в которой интроны пролиферировали (размножились) способом, сходным с высшими организмами, такими как люди.

Исследователи выявили механизмы, позволившие интронам размножиться в этом организме. Самый неожиданный из них — значительная роль тепла. Высокие температуры, как в горячих источниках, могут расплетать цепи ДНК ("плавление ДНК"), облегчая встраивание интронов.

Это свидетельство особенно наглядно для понимания пролиферации интронов у ранних эукариот, поскольку Земля была горячее около миллиарда лет назад, когда они появились. Интроны могли быстро размножиться со временем, отчасти благодаря высоким температурам.

Исследование интронов в T. elongatus может неожиданно принести огромную пользу для повышения эффективности биотоплива. Учёные смогли адаптировать эти термофильные интроны, работающие лучше при высоких температурах, для генного таргетирования (технология targetron).

Ламбовитц и Мор уже работают с учёными из Национальной лаборатории Ок-Ридж, чтобы попытаться генетически модифицировать термофильные бактерии для увеличения производства биотоплива. Они также планируют применять свои открытия в биотехнологии и биомедицине для организмов и ферментов, функционирующих при высоких температурах, продолжая углубляться в фундаментальные научные вопросы.