Мутантные образы жизни: учёные обнаружили мощный генетический элемент у мельчайших форм жизни Земли

Исследователи обнаружили, что множество ранее не идентифицированных микроорганизмов обладают генетическим элементом, позволяющим им само-мутировать. Эти организмы настолько многочисленны, что значительно расширяют разнообразие древа жизни.

"Эти микроорганизмы могут быть в 500 раз меньше бактерий, таких как E. coli", — сказал микробиолог Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Дэвид Валентайн. Они также делают необычные вещи с некоторыми ключевыми генами, используемыми для идентификации, например, расщепляют их на достаточно мелкие фрагменты, чтобы сделать их невидимыми для научного наблюдения.

Чтобы обнаружить эти мельчайшие организмы, способные проходить через фильтры, задерживающие традиционные микробы, учёные обратились к образцам грунтовых вод из водоносного горизонта в Колорадо. Анализируя многочисленные геномы, они обнаружили распространённость необычного генетического элемента, с которым сталкивались ранее: разнообразие-генерирующих ретроэлементов (DGRs). Результаты опубликованы в журнале Nature Microbiology.

Ведущий автор Блэр Пол проанализировал более 500 геномов из пула в 2500 и обнаружил, что большинство представителей определённого класса архей, а также ещё не охарактеризованных типов, близких к бактериям, по-видимому, имеют DGRs. Многие обладают несколькими DGRs.

"Эти микроорганизмы настолько малы, что минимизировали количество информации, которую они могут кодировать, поэтому, вероятно, не являются полностью самодостаточными", — сказал Валентайн. Это означает, что они ведут симбиотический или паразитический образ жизни. Если микроорганизм сокращает свой геном и клетку до такого минимального образа жизни, у него должны быть механизмы, позволяющие развивать новые возможности, но также и избавляться от ненужных.

Механизм DGR, возможно, позволяет этим организмам делать и то, и другое. Или, возможно, они оптимизируются до такой степени, что мутировать становится невыгодно, и они должны избавиться от этой способности.

"Тот факт, что DGRs относительно широко распространены у крошечных бактерий с симбиотическим образом жизни, представляет большой интерес, поскольку эти элементы, вероятно, способствуют невероятному разнообразию белковых последовательностей, обнаруженных у этих организмов", — сказала соавтор Джилл Банфилд, профессор наук о Земле и планетах в Калифорнийском университете в Беркли.

Механизм нацелен только на один из четырёх различных нуклеотидов (A, C, G, T), образующих основную структуру нуклеиновых кислот, таких как ДНК. Отличительная сигнатура и местоположение, а также мутации только по A являются отличительными чертами этого механизма.

"Мы думаем, что этот фермент склонен к созданию мутаций", — объяснил Пол.

Поскольку учёные имеют дело с новыми организмами, они ещё не смогли определить функцию подавляющего большинства диверсифицированных белков.

"Важный вопрос: изменяют ли эти мутации белки, которые кодируют гены, или они предназначены для прерывания самих генов и нацеливания их на удаление из генома?" — задаётся вопросом Пол. Если этот механизм вызывает мутации, которые приводят к выходу из строя некоторых генов, это может быть связано с эволюционными преимуществами.

"Это открытие показывает, как происходит быстрая эволюция у некоторых из самых маленьких, самых распространённых, но наименее известных микробов Земли", — говорит Майк Сираки из Отдела океанологических наук Национального научного фонда.

"О микробном мире ещё так много предстоит открыть. Это исследование даёт представление об уникальных механизмах, которые позволяют адаптироваться и реагировать на экологический стресс", — сказала со-директор программы "Измерения биоразнообразия" Лесли Рисслер.