Экстремальные среды закодированы в геномах организмов, которые в них живут

Исследование предполагает, что геном организма может содержать информацию не только о его эволюционном происхождении, но и о типе окружающей среды, в которой он обитает.

ДНК как язык

Геномную ДНК можно рассматривать как текст, написанный на «языке ДНК», состоящем из «букв» — нуклеотидов A, C, G, T. Частотный профиль коротких последовательностей («слов») в геноме действует как уникальная «геномная подпись» организма.

След среды в ДНК экстремофилов

Учёные из Университета Ватерлоо и Западного университета проверили гипотезу на наборе данных из 700 микробных экстремофилов, живущих в условиях экстремальных температур (жара выше 100°C или холод ниже -12°C) или экстремального pH (сильнокислая или щелочная среда). Использовались методы машинного обучения с учителем и без учителя.

Ключевое открытие: алгоритмы смогли чётко определить сигнал, указывающий на тип экстремальной среды обитания организма, по его геномной подписи.

Неожиданная группировка

При неконтролируемом машинном обучении алгоритм, не имея информации о таксономии или среде организмов, сгруппировал последовательности ДНК на основе сходства их частотных профилей.

Ожидалось, что кластеры будут соответствовать таксономическим доменам: бактерии с бактериями, археи с археями. Однако некоторые археи и бактерии стабильно попадали в одну группу. Единственным очевидным общим признаком было то, что все они являются теплолюбивыми экстремофилами.

Новое измерение генома

Три основных домена жизни — бактерии, археи и эукариоты — генетически сильно различаются. Ожидалось, что геномы бактерий и архей будут максимально далеки друг от друга при любой кластеризации.

Обнаружение их совместной группировки по экологическому, а не таксономическому признаку означает, что экстремальная среда (например, высокая температура) вызывает повсеместные, общегеномные, системные сдвиги в «языке» их генома. Это открытие новой, экологической размерности генома.

Значение и дальнейшие исследования

Это открытие может повлиять на понимание эволюции жизни на Земле и представления о возможности жизни в космосе.

Текущие исследования изучают наличие экологического сигнала в геномной подписи радиационно-устойчивых экстремофилов, таких как Deinococcus radiodurans, который может выживать при радиационном облучении, холоде, обезвоживании, в вакууме и кислоте и был способен выживать в открытом космосе до трёх лет.