Анализ генома морского микроба выявил метаболического минималиста
Необычный морской микроорганизм, по-видимому, отказался от нескольких основных метаболических путей, оставив у себя лишь сильно сокращённый набор генов.
Этот метаболический минималист — специалист, уникально приспособленный для выполнения одной важной функции: извлечения азота из атмосферы и его «фиксации» в форму, делающую это важнейшее питательное вещество доступным для других организмов. Фиксация азота «удобряет» океаны, контролируя общую биологическую продуктивность и влияя на количество углекислого газа, поглощаемого океанами из атмосферы.
Морской микробиолог Джонатан Зер, открывший этот микроб, сообщил, что все попытки вырастить его в лаборатории не увенчались успехом. Однако это не помешало его команде определить полную последовательность ДНК его генома. Анализ генома позволил исследователям реконструировать необычный метаболический образ жизни организма. Результаты были опубликованы в Nature 21 февраля.
Зер, профессор наук об океане в Калифорнийском университете в Санта-Круз, охарактеризовал микроб как нетипичного представителя цианобактерий. До сих пор не имея формальной таксономической классификации, он известен только как UCYN-A. Впервые обнаруженный в открытом океане у Гавайев в 1998 году, он, как теперь известно, периодически встречается в больших количествах в тропических и субтропических водах по всему миру.
«Биогеохимики никогда не могли сбалансировать азотный бюджет океанов — кажется, что производится больше азота, чем мы можем объяснить известными организмами. Так что этот организм может быть важной частью общего азотного бюджета», — сказал Зер.
В статье 2008 года в Science команда Зера сообщила, что у UCYN-A полностью отсутствуют гены ключевого компонента фотосинтетического аппарата. Отсутствующая часть, известная как фотосистема II, осуществляет стадию фотосинтеза, которая генерирует кислород путём расщепления молекул воды (H2O). Это важно, поскольку кислород ингибирует фиксацию азота. Большинство азотфиксирующих цианобактерий осуществляют фотосинтез днём и фиксацию азота ночью, но UCYN-A может фиксировать азот круглые сутки.
Новая статья расширяет список отсутствующих у UCYN-A метаболических путей, включая, среди прочего, процесс, центральный для аэробного метаболизма, известный как цикл TCA или цикл Кребса. Ему также не хватает цикла Кальвина, который использует углерод из углекислого газа для построения сахаров, и он не способен синтезировать около половины из 20 незаменимых аминокислот.
«Эта штука действительно урезана», — сказал Джеймс Трипп, специалист по биоинформатике из UCSC и ведущий автор статьи в Nature. «Мой анализ показывает, что ему необходим внешний источник для получения сахаров, аминокислот и двух из четырёх оснований, необходимых для создания ДНК».
Трипп провёл анализ генома. Он тесно сотрудничал с учёными из 454 Life Sciences (компания Roche), которая специализируется на технологиях высокопроизводительного секвенирования ДНК. Исследователи применили новые методы секвенирования и сборки генома для получения полной геномной последовательности из природных образцов ДНК. Поскольку UCYN-A нельзя культивировать, исследователи использовали метод сортировки клеток, называемый проточной цитометрией, для получения концентрированных образцов микроба из морской воды, а затем выделили ДНК из клеток для секвенирования.
Хотя UCYN-A должен зависеть от других организмов в получении ключевых питательных веществ, исследователи не нашли доказательств того, что он живёт в тесном симбиотическом сообществе с другим микроорганизмом. Зер отметил, что это говорит о двух возможностях: «Он может жить в скрытом сообществе, которое очень трудно отобрать, потому что оно хрупкое и просто распадается, или он может реагировать на цветение другого фитопланктона и жить в "супе" из питательных веществ, выделяемых другими организмами».
Одна из поразительных особенностей метаболизма UCYN-A — отсутствие у него основных путей, которые другие организмы используют для выработки энергии для своих клеток. «Фиксация азота требует много энергии, но эта штука выяснила, как фиксировать азот без обычных путей, используемых для его подпитки в других организмах», — сказал Зер. «Это представляет собой настоящую эволюционную и экологическую загадку».