Экстремальные среды оставляют геномный отпечаток у микроорганизмов

Исследование с использованием искусственного интеллекта, проведенное в Университете Западного Онтарио и опубликованное в Scientific Reports, показало, что жизнь в условиях экстремальных температур оставляет заметный отпечаток в геномах микробных экстремофилов. Ранее считалось, что повсеместные геномные сигнатуры несут информацию только о происхождении и классификации организмов.

С помощью машинного обучения междисциплинарная группа исследователей обнаружила, что геномные сигнатуры микробных экстремофилов, живущих в схожих экстремальных условиях, неожиданно похожи, даже если организмы принадлежат к разным доменам Древа Жизни — Бактериям и Археям.

Экстремофилы обитают в чрезвычайно суровых условиях, таких как вулканы, глубоководные желоба и полярные регионы. Например, Pyrococcus furiosus — это архея, обнаруженная при температуре 100 °C у гидротермального источника в Италии, а Chryseobacterium greenlandensis — бактерия, выжившая 120 000 лет во льду ледника в Гренландии.

Методология исследования

Для анализа геномных сигнатур использовалось обучение с учителем и без учителя.

• Обучение с учителем: Алгоритм ИИ обучали на последовательностях ДНК с таксономическими метками (бактерия или архея). Он научился распознавать геномные паттерны, характеризующие таксономию, и с высокой точностью предсказывать таксономию неизвестных последовательностей ДНК.
• Неожиданный результат: Когда тот же алгоритм обучили на тех же последовательностях, но с метками типа среды обитания (горячая или очень холодная), ИИ научился распознавать некоторые геномные паттерны, связанные с типом среды, и смог предсказать его для неизвестной последовательности со средней-высокой точностью.

Проверка результатов

Для перепроверки использовали обучение без учителя. Последовательности ДНК без каких-либо меток подавались на вход алгоритму, который должен был определить, какие из них выглядят более похожими.

• Алгоритм успешно сгруппировал последовательности в кластеры по сходству.
• Некоторые образовавшиеся кластеры содержали последовательности как бактерий, так и архей, несмотря на их таксономическую удаленность.
• При ближайшем рассмотрении оказалось, что эти «невероятные соседи» по кластеру обитали в одной и той же экстремальной среде.

Это означает, что сигнал экстремальной среды существует в самой структуре ДНК экстремофилов, и в некоторых случаях этот сигнал заглушает сигнал биологического родства.

Значение открытия

Выявление экологического сигнала в геномной сигнатуре экстремофилов имеет важные последствия, например, для будущего освоения космоса. Понимание того, как эти устойчивые организмы адаптируются к экстремальным условиям на Земле, потенциально позволит использовать их уникальные способности для выживания в суровых внеземных средах.