Новая методика определяет ключевые моменты эволюции бактерий
Бактерии развили множество адаптаций для жизни в каждой среде на Земле. Однако, в отличие от растений и животных, бактерии почти не оставили физических свидетельств своей эволюции, что затрудняет определение точного времени появления разных групп.
Учёные из MIT разработали надёжный способ определения времени появления определённых групп бактерий в эволюционной летописи. Методика может выявлять, когда происходили значительные изменения в эволюции бактерий, и раскрывать детали о примитивных средах, которые их вызвали.
В статье, опубликованной 28 января в журнале BMC Evolutionary Biology, исследователи сообщают, что с помощью этой техники определили: около 450–350 млн лет назад, в палеозойскую эру, несколько основных групп почвенных бактерий приобрели у грибов специфический ген, позволивший им расщеплять хитин — волокнистый материал клеточных стенок грибов и экзоскелетов членистоногих — и использовать продукты для роста.
Эта эволюционная адаптация, вероятно, была вызвана значительным изменением среды. Примерно в то же время членистоногие, такие как ранние пауки, насекомые и многоножки, выходили из океанов на сушу. Распространяясь и диверсифицируясь, они оставляли после себя хитин, создавая более богатую почвенную среду и новую возможность для бактерий, особенно тех, что приобрели ген хитиназы.
"До этого периода почвы существовали, но могли выглядеть как сухие долины Антарктики. С появлением животных в почвах впервые у микробов появились новые возможности для использования и диверсификации", — говорит Грегори Фурнье.
По его словам, отслеживание определённых генов, таких как хитиназа, может дать новое представление о ранней истории животных и сред их обитания.
"В геномах микробов содержится теневая история животной жизни, которую мы можем использовать, чтобы заполнить пробелы в понимании не только микробов, но и ранней истории животных".
Отсутствие окаменелостей
Без летописи окаменелостей учёные использовали другие методы для построения "древа жизни" бактерий — карты генетических отношений. Используя подход "молекулярных часов", они оценивают скорость мутаций и рассчитывают время расхождения видов, но это даёт лишь относительное время с большой неопределённостью.
"Нам нужно как-то привязать это древо к геологической летописи, к абсолютному времени".
Команда обнаружила, что можно использовать окаменелости совершенно другого организма, чтобы закрепить во времени эволюцию определённых групп бактерий. Хотя гены обычно передаются по наследству, иногда ген может "перепрыгнуть" от одного организма к другому через вирус или среду в процессе горизонтального переноса генов. Одна и та же генетическая последовательность может появиться в двух организмах с разной генетической историей.
Исследователи предположили, что если найти общий ген у бактерий и организма с чёткой летописью окаменелостей, можно привязать эволюцию бактерий к моменту переноса этого гена.
Разделение деревьев
Они изучили тысячи геномов и идентифицировали ген хитиназы, который присутствует в нескольких основных группах бактерий, а также у большинства видов грибов, чья летопись окаменелостей хорошо установлена.
С помощью алгоритмов они построили дерево всех видов с геном хитиназы, показывающее отношения на основе мутаций. Затем, используя молекулярные часы, определили относительное время, когда каждая бактерия с хитиназой ответвилась от предка. Ту же процедуру повторили для грибов.
Учёные проследили хитиназу у грибов до точки наибольшего сходства с геном при его первом появлении у бактерий, предположив, что это и был момент переноса гена от грибов к бактериям. Используя летопись окаменелостей грибов, они определили вероятное время переноса.
Оказалось, что после последующего переноса этого гена между несколькими группами бактерий, три основные группы почвенных бактерий с геном хитиназы диверсифицировались около 450–350 млн лет назад. Этот быстрый всплеск разнообразия микробов, вероятно, был ответом на аналогичную диверсификацию наземных животных, особенно производящих хитин членистоногих, что показывает летопись окаменелостей.
"Этот результат подтверждает идею, что микробные группы стремятся приобретать гены для использования ресурсов, как только те становятся доступны в среде. В принципе, этот подход можно использовать для датировки многих других групп микробов, используя перенос других генов, использующих иные ресурсы".
Фурнье сейчас разрабатывает автоматизированный конвейер для обнаружения полезных переносов генов между бактериями и другими организмами из огромных массивов генетических данных. Например, он изучает микробные гены, ответственные за расщепление коллагена — соединения, производимого только животными и содержащегося в мягких тканях.
"Если у нас есть теневая история в микробах генов, которые "едят" мягкие ткани, мы могли бы, возможно, восстановить раннюю историю мягких тканей, которые плохо сохраняются в летописи окаменелостей".