Розовые бактерии успешно заселяют океаны мира
Бактерии морской группы Roseobacter clade широко распространены в океанах планеты — от тропиков до Антарктики. Они живут свободно в воде, в донных отложениях и как симбионты водорослей. Их розовый цвет обусловлен особыми фотосинтетическими пигментами. Эти бактерии отличаются необычайно разнообразным метаболизмом, что открывает интересные возможности для биотехнологий. Реконструкция их эволюции — ключ к пониманию секрета их экологического успеха.
Исследователи из DSMZ (Лейбниц-институт Немецкой коллекции микроорганизмов и клеточных культур) обнаружили, что представители группы Roseobacter могут обмениваться важными генетическими признаками, например, способностью к фотосинтезу, с помощью плазмид. Такой горизонтальный перенос генов через видовые границы позволяет бактериям быстро и эффективно осваивать новые экологические ниши. Результаты опубликованы в журнале Environmental Microbiology.
С 2010 года учёные DSMZ совместно с морскими микробиологами, экологами, биохимиками, генетиками и IT-специалистами работают в рамках коллаборативного исследовательского центра Transregio 51 Roseobacter. Цель — понять эволюционные, генетические и физиологические принципы, лежащие в основе успеха этой ещё малоизученной группы бактерий.
Исследовательская группа доктора Йорна Петерсена и доктора Зилке Праделлы из DSMZ нашла важную подсказку, изучив эволюцию и роль плазмид внутри Roseobacter clade, где они встречаются в большом количестве и разнообразии.
«Плазмиды — это обычно кольцевые молекулы ДНК размером до 1 миллиона пар оснований, которые могут реплицироваться независимо от бактериальной хромосомы. Природные плазмиды кодируют полезные свойства, такие как фиксация азота. Но они же ответственны и за появление мультирезистентных больничных патогенов», — объясняет генетик и эволюционный биолог доктор Йорн Петерсен.
Ранее считалось, что вся важная генетическая информация у бактерий находится в хромосоме. Однако для представителей Roseobacter clade доктор Зилке Праделла опровергла это предположение, доказав, что центральный ген, ответственный за фотосинтез у Roseobacter litoralis и Sulfitobacter guttiformis, расположен именно на плазмидах.
В новой работе группа показала, что целый кластер генов фотосинтеза (более 40 генов) был перенесён с хромосомы на плазмиду.
«Мы объясняем это тем, что Roseobacter clade использует свои плазмиды как «мобильные контейнеры генетической информации», чтобы при необходимости быстро и взаимно обмениваться важными метаболическими функциями даже за пределами видовых границ», — говорит доктор Петерсен. — «Доступ к общему генному пулу можно понимать как своего рода соседскую помощь между этими морскими бактериями».
Благодаря переносу генов фотосинтеза бактерии не только становятся розовыми, но и получают преимущество для выживания — возможность получать дополнительную энергию из солнечного света. Такой генетический обмен с использованием плазмид как вектора также объясняет, почему способность к фотосинтезу внутри группы Roseobacter распределена спорадически и без видимой закономерности.
Широкий спектр методов, разработанных в DSMZ, и новые знания о биологии плазмид легли в основу нового системно-биологического проекта в рамках исследовательского центра Roseobacter. Его цель — выяснить физиологическое значение плазмид в модельном организме Phaeobacter gallaeciensis DSM 17395. Для этого созданные рабочей группой плазмидные нокаут-мутанты будут проанализированы и сравнены с диким типом Phaeobacter с помощью полного OMICS-пайплайна (геномика, транскриптомика, протеомика, метаболомика, флюксомика).