У морских бактерий эволюция новых специализированных молекул идёт по неизвестному ранее пути

Микроскопическая морская бактерия Prochlorococcus — один из самых маленьких и самых распространённых организмов на Земле. Теперь к её рекордам добавился новый: она эволюционирует новые виды метаболитов, называемых лантипептидами, быстрее и в большем разнообразии, чем любой другой известный организм.

В то время как большинство бактерий содержат гены для производства одной-двух версий этого пептида, разновидности Prochlorococcus могут каждая производить более двух десятков разных пептидов (молекул, похожих на белки, но меньшего размера). Хотя все разновидности Prochlorococcus на Земле принадлежат к одному виду, их локальные популяции в разных регионах мирового океана производят уникальные наборы из тысяч этих пептидов, непохожие на те, что генерируют наземные бактерии.

Эти поразительные результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Science, обнаружили бывший аспирант MIT Андрес Кубильос-Руис, профессор института Салли "Пенни" Чисхолм, профессор химии Университета Иллинойса Уилфред ван дер Донк и двое других.

"Никто не видел истинных масштабов разнообразия этих молекул", — говорит Кубильос-Руиз. Первые намёки на это неожиданное разнообразие появились в 2010 году. Но главный сюрприз ждал, когда Кубильос-Руиз изучил другие популяции и обнаружил, что те же организмы в другом месте производят аналогично большое количество пептидов, "и все они были совершенно другими".

Исследователи определили, что способ, которым эволюционирует это необычайное количество лантипептидов, сам по себе ранее не наблюдался. В то время как большинство эволюционных изменений происходят через крошечные постепенные шаги, гены, позволяющие Prochlorococcus производить эти лантипептиды, делают обратное. Они каким-то образом претерпевают драматические, масштабные изменения сразу, что приводит к появлению тысяч новых разновидностей этих метаболитов.

Гены, кодирующие эти лантипептиды, состоят из двух частей. Одна часть очень хорошо сохраняется у всех линий и популяций вида. Именно вторая половина претерпевает эти серьёзные структурные перестройки. "Две половины гена пошли совершенно разными эволюционными путями, что необычно", — отмечает Кубильос-Руиз.

Функции большинства из этих тысяч пептидов, известных как пролоросины, остаются неизвестными. Подобные соединения, производимые наземными бактериями, могут служить химическими сигналами между организмами или иметь антимикробные функции. Из-за известных антимикробных функций команда считает полезным протестировать эти соединения как потенциальных кандидатов в новые антибиотики или другие полезные биологические продукты.

Этот эволюционный механизм у Prochlorococcus представляет собой "интригующий способ эволюции для такого рода специализированных метаболитов", — говорит Кубильос-Руиз. В то время как эволюция обычно благоприятствует сохранению большей части генетической структуры, "в этом организме отбор, по-видимому, благоприятствует клеткам, способным производить много и очень разных лантипептидов. Таким образом, это встроенное коллективное разнообразие, кажется, является частью его функции, но мы ещё не знаем её цели".

"Prochlorococcus пытается нам что-то сказать, но мы ещё не знаем, что именно", — говорит Чисхолм. "Такое маленькое существо с таким маленьким геномом, посвящающее столько своего генетического потенциала производству этих молекул, должно означать, что они играют важную роль. Большой вопрос: какова эта роль?"

Этот процесс может быть не уникальным — возможно, Prochlorococcus, организм, который Чисхолм и её коллеги открыли в 1986 году, просто предоставил необходимый для такого анализа объём данных. "Это может происходить и у других видов бактерий", — говорит Кубильос-Руиз.