В поисках первой бактерии
Около пяти лет назад команда под руководством профессора Уильяма (Билла) Мартина описала последнего универсального общего предка всех живых организмов — LUCA. Он жил примерно 3,8 млрд лет назад в горячих глубоководных гидротермальных источниках.
Теперь эволюционные биологи из Дюссельдорфа описали ещё одну древнюю клетку — LBCA (последний общий предок бактерий). Это предок современного крупнейшего домена жизни — Bacteria. В Communications Biology они сообщают о новых подходах, позволивших предсказать биохимию LBCA и её филогенетические связи.
Бактерии почти так же стары, как сама жизнь. LBCA жил около 3,5 млрд лет назад в среде, похожей на среду обитания LUCA. Чтобы раскрыть генетический код, свойства и историю LBCA, исследователи изучили геномы 1089 бактериальных анаэробов (организмов, выживающих без кислорода). «Исключение аэробов было логичным для нашей работы, — объясняет первый автор, доктор Жоана К. Ксавье. — Если бактерии возникли в бескислородную эпоху Земли, нет смысла изучать их происхождение, рассматривая виды, полные адаптаций, вызванных кислородом».
Высшие формы жизни передают генетический код от родителей к потомству через вертикальный перенос генов, поэтому геном содержит информацию о филогенетической истории. Но бактерии — мастера другой формы передачи — латерального (горизонтального) переноса генов (LGT), позволяющего обмениваться генетической информацией между разными штаммами. Это создало серьёзную проблему для реконструкции генома LBCA, так как традиционные филогенетические методы не могут определить корень в эволюционном древе бактерий.
Поэтому исследователи использовали биохимические сети вместе с тысячами индивидуальных деревьев. Они проанализировали 1089 анаэробных геномов и выявили 146 белковых семейств, консервативных у всех бактерий. Эти белки составляют почти полную сеть основного метаболизма.
Чтобы завершить биохимию LBCA, потребовалось добавить всего девять дополнительных генов, чтобы реконструированная метаболическая сеть включала все основные и универсальные метаболиты. Для полной независимости и самогенерации сети LBCA всё ещё требовались бы дополнительные гены, унаследованные от LUCA, и питательные вещества из окружающей среды.
Имея метаболическую сеть LBCA, авторы использовали статистические методы, чтобы определить, какие из современных групп бактерий наиболее похожи на LBCA. Для этого они применили метод Minimal Ancestor Deviation (MAD), ранее разработанный соавтором Фернандо Д. К. Триа. «Анализ показал, что самой ранней ветвью бактерий, отделившейся от общего ствола, были организмы, наиболее похожие на современных клостридий, за которыми следовали дельтапротеобактерии, актинобактерии и некоторые представители Aquifex. Общее у этих групп — наличие ацетил-КоА пути для фиксации углерода и/или энергетического метаболизма».
Профессор Уильям Мартин, старший автор исследования, поясняет: «Это единственный путь фиксации углерода, присутствующий как у архей, так и у бактерий и восходящий к LUCA. Этот результат, полученный независимо, также согласуется с нашими последними данными о происхождении и ранней эволюции жизни в гидротермальных источниках».
«Мы можем с уверенностью предположить, что LBCA, скорее всего, имел палочковидную форму, — говорит Ксавье. — Если он был похож на клостридий, возможно, LBCA мог образовывать споры». Эта гипотеза, недавно выдвинутая другими исследователями, «высоко совместима с нашими результатами», отмечает Ксавье. Спорообразование позволило бы ранним клеткам выживать в неблагоприятных условиях ранней Земли.