Генная инженерия проливает свет на древние эволюционные вопросы

Цианобактерии — одноклеточные организмы, получающие энергию от света. С помощью фотосинтеза они превращают атмосферный углекислый газ (CO₂) и воду (H₂O) в кислород и углеродные молекулы (например, белки) для построения своих клеток. Цианобактерии были первыми организмами, освоившими фотосинтез, и насытили раннюю Землю кислородом, что сильно повлияло на эволюцию жизни.

Геологические данные показывают, что атмосфера ранней Земли (более 3 млрд лет назад) была богата CO₂ — гораздо больше, чем даже при нынешнем антропогенном изменении климата. У древних цианобактерий было много «еды».

Однако за миллиарды лет концентрация CO₂ в атмосфере снизилась. Чтобы выжить, бактериям пришлось эволюционировать и выработать новые стратегии для извлечения CO₂. Современные цианобактерии отличаются от древних предков и обладают сложным, хрупким механизмом концентрирования CO₂ (ССМ), который компенсирует низкую концентрацию газа.

Новое исследование из Калтеха раскрывает, как эволюционировал ССМ, решая давнюю загадку в эволюционной геобиологии. В работе используются генетические методы для моделирования древних предков современных организмов, что позволяет систематически экспериментировать с разными версиями бактерий и выявлять возможные эволюционные пути.

Исследование — совместная работа лабораторий профессора геобиологии Калтеха Вудварда Фишера и Дэвида Сэвиджа, адъюнкт-профессора молекулярной биологии Калифорнийского университета в Беркли и сотрудника Медицинского института Говарда Хьюза. Оно опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Цианобактерии «едят» CO₂ с помощью фермента рубиско. Этот фермент работает медленно и часто реагирует с другими молекулами вместо CO₂. В среде с высокой концентрацией CO₂ это не проблема. Но из-за падения уровня CO₂ за миллиарды лет современные цианобактерии развили ССМ, чтобы концентрировать CO₂ внутри клетки и повысить эффективность рубиско.

ССМ ставит эволюционных биологов в тупик, потому что он очень хрупок: изменение любого из 20 генов, кодирующих его части, приводит к полному отказу всей структуры.

В новом исследовании команда смоделировала возможные древние версии ССМ. Для этого они генетически модифицировали бактерию Escherichia coli, чтобы её метаболизм зависел от CO₂. С E. coli проще работать в лаборатории, чем с самими цианобактериями. Затем команда создала штаммы E. coli с 20 генами ССМ и систематически добавляла, удаляла и изменяла гены, чтобы смоделировать все возможные эволюционные пути развития этой структуры.

Таким образом, команда под руководством Ави Фламхольца обнаружила, что существует несколько биологически возможных траекторий, ведущих к появлению сложного современного ССМ.

Эти результаты подчёркивают постоянный диалог между глобальными изменениями и эволюцией биосферы Земли. По мере того как CO₂ становился всё более дефицитным, цианобактерии смогли создать удивительное биохимическое решение.