Смелое освещение «тёмной материи» биологии

Эквивалентом космологической тёмной материи в биологии является «микробная тёмная материя» — повсеместная, но практически невидимая инфраструктура жизни на планете, оказывающая глубокое влияние на ключевые экологические процессы. Благодаря секвенированию ДНК геномов, выделенных из отдельных клеток, делаются большие успехи в систематическом заполнении неисследованных ветвей древа жизни бактерий и архей. В международной коллаборации под руководством Объединённого института генома (DOE JGI) последние результаты исследования микробной тёмной материи были опубликованы 14 июля 2013 года в журнале Nature.

Экспедиция в неизведанное

Кампания по изучению микробной тёмной материи была нацелена на некультивируемые микробные клетки из девяти различных сред обитания. Из этих образцов команда с помощью лазерной сортировки выделила 9000 клеток, из которых удалось реконструировать и идентифицировать 201 отдельный геном. Эти геномы позволили заполнить 28 крупных, ранее не описанных ветвей древа жизни.

Преодоление барьера культивирования

Поскольку подавляющее большинство микробов не растёт в лаборатории, знание об их роли в экосистемах стало возможным благодаря независимым от культивирования методам, таким как метагеномика и геномика одиночных клеток.

«Мы обнаруживаем неожиданные метаболические особенности, которые расширяют наше понимание биологии и бросают вызов установленным границам между доменами жизни», — сказала Таня Войке, руководитель микробной программы DOE JGI и старший автор публикации.

Ключевые открытия

1. Неожиданные метаболические черты. Обнаружены признаки у архей, ранее наблюдавшееся только у бактерий, и наоборот. Например, у группы архей впервые найден фермент, который бактерии используют для создания пространства в клеточной стенке. Авторы предполагают, что археи могут использовать его как механизм защиты от атак бактерий.
2. Корректная «бининг» данных. Около 340 миллионов фрагментов ДНК из других сред обитания были правильно перепривязаны к соответствующим филогенетическим линиям. Это даёт более точное понимание функций организмов в экосистемах и ассоциаций новых генов с конкретными жизненными формами.
3. Уточнение эволюционных отношений. На основе 201 генома были разрешены отношения внутри и между микробными филумами и предложено два новых суперфилума — высокостабильные ассоциации филумов. Эти геномы стали «якорями» для филогении.

«Наши геномы одиночных клеток дали нам представление об эволюционных отношениях между некультивируемыми организмами — понимание, выходящее за рамки разрешения по одному локусу в дереве 16S рРНК», — отметила Войке.

Только начало пути

На основе этих данных многим ранее просто пронумерованным линиям были даны названия. Однако работа только начинается.

«Мы говорим, вероятно, о миллионах видов микробов, которые ещё предстоит описать», — сказал Фил Хугенхольц, соавтор статьи.

«Чтобы попытаться охватить 50% только уже известного филогенетического разнообразия, нам нужно секвенировать ещё 20 000 геномов, — добавила Войке. — И это только из того, что, как известно, существует».