Ключевые виды: Какие гены наиболее важны для функционирования экосистемы?

Микробные экосистемы, такие как биологические очистные сооружения или желудочно-кишечный тракт человека, являются домом для огромного разнообразия бактериальных видов. Учёные из Люксембургского центра системной биомедицины (LCSB) и Университета Люксембурга в сотрудничестве с исследователями из США впервые смогли определить ключевые функциональные гены и кодирующие их организмы в таких экосистемах, используя обширные данные генетики и метаболизма бактерий.

Ключевые виды — это виды, играющие центральную роль в функционировании экосистем. Обычно это не самые многочисленные виды. Гораздо важнее организмы, несущие копии уникальных, важных генов — исследователи называют их «ключевыми генами» — которые также транскрибируются непропорционально часто. Результаты группы профессора Пола Уилмса также имеют медицинское значение: когда микробные сообщества выходят из равновесия в ходе болезни, целенаправленная поддержка ключевых видов бактерий может оказать положительный эффект на здоровье. Исследование опубликовано в новом журнале npj Biofilms and Microbiomes.

До сих пор учёным было сложно анализировать взаимозависимости между множеством бактерий в сложной экосистеме. Чаще всего они фиксируют виды, встречающиеся вместе при изменяющихся условиях окружающей среды. Схожие паттерны изменчивости считаются признаком взаимодействия, а сильно связанные виды — ключевыми. «Появление новых омиксных технологий, включая геномику, транскриптомику или протеомику, открыло совершенно новые возможности для исследования экосистем, — говорит Пол Уилмс. — После высокопроизводительных анализов, в ходе которых мы собираем огромные массивы данных, мы можем реконструировать общесообщностные сети. Из них мы можем, например, выявить ключевые функциональные признаки внутри сообщества и затем связать эти признаки с конкретными его членами».

Для этого группа Уилмса взяла пробы из очистных сооружений в разные сезоны. Затем они охарактеризовали всю совокупность генов, проанализировали, какие гены транскрибируются, и получили обзор результирующих белков. «С помощью этого сочетания метагеномики, метатранскриптомики и метапротеомики мы смогли реконструировать метаболические сети сообщества в определённый момент времени, — говорит доктор Анна Хайнц-Бушарт, первый автор публикации. — Это говорит нам о том, какие вещества в принципе могут производиться сообществом, какие гены существуют в нескольких копиях у разных видов бактерий и в каких количествах производятся определённые белки».

Обладая этими знаниями, исследователи затем приступили к идентификации «ключевых генов» и их связи с ключевыми видами.

«Выявленные гены и виды выполняют в экосистеме важнейшие функции, — объясняет Пол Уилмс. — Многие метаболические пути и виды зависят от них. Их отсутствие имеет драматические последствия для всей экосистемы. Но если научиться их поддерживать, то экосистема, вероятно, станет более продуктивной и устойчивой».

Директор LCSB профессор Руди Баллинг объясняет медицинскую важность новых открытий: «Мы предполагаем, что такие болезни, как болезнь Паркинсона, могут отчасти быть вызваны нарушением состава микробных сообществ в организме человека. Обладая этими знаниями о ключевых генах и видах, мы сможем в будущем пристальнее взглянуть на молекулярные причины — и изучить меры по восстановлению экологического баланса, например, в кишечнике».