Учёные вскрыли микробную "тёмную материю"

Микробов на нашей планете огромное множество. Они живут буквально повсюду, в том числе и в теле человека. Микробиологи уже многие годы занимаются изучением этих удивительных форм жизни, но перед ними всегда стояла одна проблема: большую часть микробов невозможно культивировать в лабораторных условиях.

Эти виды также требуют тщательного изучения, а значит, и выработки новой методики, которая позволила бы расшифровать геном без предварительного выращивания в лаборатории. Решение предложила команда исследователей во главе с микробиологом Таньей Войке (Tanja Woyke) из Института генных исследований в Калифорнии.

Учёным удалось секвенировать геном 201 вида микробов, используя по образцу ДНК всего одной отдельной клетки. Образцы были взяты из девяти разных сред: озера Сакинав (Sakinaw Lake) в Британской Колумбии, лагуны Этолико в западной Греции, реактора для обработки отстойных вод в Мексике, залива Мэн в Северной Америке, северного берега гавайского острова Оаху, тропической циркуляции Атлантического океана, Восточно-Тихоокеанского поднятия, золотого рудника Хоумстейк в Южной Дакоте и Большого кипящего источника в штате Невада.

При этом ни одна из исследованных бактерий или архей не была выращена в лаборатории.

Технология секвенирования по одной клетке (single-cell sequencing) позволяет биологам полноценно изучать ДНК, открывая целый мир микробной "тёмной материи". Эти организмы, которые можно получить, только изъяв их из естественной среды обитания, изучаются с помощью новейших технологий метагеномики, специального раздела молекулярной генетики.

Войке и её команда собрали большое количество образцов бактериальных форм жизни и изучили участки их ДНК. У некоторых видов они исследовали 90% генома, а у некоторых — лишь 10%. Работа была проделана огромная, ведь почти все эти бактерии оставались неизученными человеком. Учёным удалось не просто узнать больше о самих организмах, но и понять, как они связаны друг с другом и с остальными видами.

На этом этапе было сделано несколько важных открытий. Выяснилось, что некоторые связи между биологическими царствами, намного прочнее, чем считалось ранее. К примеру, учёные узнали, что некоторые группы бактерий, синтезирующих пуриновые основания, строительные блоки для ДНК и РНК, используют ферменты, свойственные, как считалось ранее, только археям. А сами археи, точнее три их вида, обладают сигма-факторами (sigma-factor) — белками, необходимыми для запуска синтеза РНК, которые ранее считались типичными лишь для бактерий. Поэтому эти два надцарства оказались намного более похожими, чем предполагалось.

Также учёные нашли одну бактерию с удивительными свойствами. Она "перекодировала" свой терминаторный кодон, блокирующий трансляцию урацил-гуанин-аденина. В большинстве других организмов эта нуклеотидная последовательность служит сигналом к прекращению трансляции РНК в белок. Однако эта бактерия использует её для сообщения клетке сигнала к началу производства аминокислоты глицина. Это очень редкое и крайне необычное явление в природе. Биологи даже предложили отнести эту бактерию к новому типу и дать ему название Gracilibacteria.

Ещё несколько микроорганизмов также продемонстрировали учёным свою способность к "перекодировке". Это значит, что генетический код намного более гибкий, чем считалось ранее.

"Мы изучили 201 геном. Это очень немного по сравнению с целым миром таких организмов, живущих на нашей планете", — говорит Войке.

По словам исследователей, их работа поможет "украсить новыми листьями древо жизни на Земле". В мире существует миллионы видов микробов, которые можно отнести как минимум к 60 основным типам, а 88% тех организмов, которых можно культивировать в лаборатории, относятся всего к четырём типам.

Исследование Войке и её команды как бы систематизировало предыдущие проекты в области метагеномики, в ходе которых было изучено около 340 миллионов генетических последовательностей. Их работа помогла выявить взаимосвязи между различными царствами и надцарствами, обнаружив удивительные свойства бактерий и архей.

По предварительным расчётам, потребуется около 16 тысяч клеток, чтобы секвенировать геном половины неизученных видов микробов. Войке и её коллеги планируют продолжать изучать этот целый новый мир. Необходимо признать: о микробах и их бесконечном разнообразии, их свойствах и влиянии на людей, мы пока знаем очень немного.

О результатах работы биологов можно почитать в журнале Nature, где недавно вышла статья Войке и её коллег.