Биологи описали первую бактерию на Земле

Немецкие биологи представили теоретическое описание древнейшей клетки, от которой произошли все бактерии, а также составили схему метаболизма первой бактерии на Земле. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Biology.

Пять лет назад биологи из Института молекулярной эволюции Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе во главе с его директором Уильямом Мартином (William Martin) представили описание последнего универсального общего предка всех живых организмов на Земле и назвали его LUCA — Last Universal Common Ancestor.

Считается, что LUCA жил примерно 3,8 миллиарда лет назад в горячих глубоководных гидротермальных источниках. Ископаемых остатков LUCA не сохранилось, поэтому его изучают только путем сравнения геномов. С помощью этого метода в 2016 году ученые определили набор из 355 генов, точно имевшихся у LUCA.

Теперь исследователи описали еще одну древнюю клетку, названную ими Last Bacterial Common Ancestor (LBCA). LBCA — последний общий предок самой большой на сегодняшний день группы живых организмов — бактерий. По мнению авторов, первая бактерия на Земле появилась около 3,5 миллиарда лет назад в той же среде, что и LUCA.

Чтобы раскрыть генетический код LBCA, особенности его биохимии и филогении, Уильям Мартин с соавторами изучили геномы 1089 анаэробов — бактерий, которые могут обходиться без кислорода.

"Мы намеренно не брали аэробов, — приводятся в пресс-релизе Университета Генриха Гейне слова первого автора статьи Жоаны Ксавье (Joana Xavier). — Если первые бактерии возникли в то время, когда Земля была бескислородной, не имеет смысла исследовать их происхождение, учитывая виды с адаптациями, вызванными кислородом".

Высшие организмы передают свой генетический код от родителей к потомству посредством вертикальной передачи генов, в результате в геноме сохраняется вся информация о филогенетической истории. Но у бактерий есть и другая форма передачи генетической информации — латеральный перенос генов между разными штаммами микроорганизмов. Это делает невозможным использование традиционных филогенетических методов для однозначного определения корня в древе эволюции бактерий.

Чтобы преодолеть эту серьезную проблему, исследователи из Дюссельдорфа использовали при реконструкции генома LBCA не только сами гены, но и белки. Всего авторы идентифицировали 146 семейств белков, присутствующих абсолютно у всех бактерий. Выстроив биохимические связи этих белков, они получили практически полную базовую метаболическую сеть первой бактерии.

Затем с помощью статистических методов ученые определили, какие из современных бактериальных групп наиболее похожи на LBCA.

"Анализ показал, что самая ранняя расходящаяся ветвь бактерий была похожа на современные клостридии, за которыми следовали дельтапротеобактерии, актинобактерии и некоторые представители рода Aquifex", — рассказывает Фернандо Триа (Fernando Tria), отвечавший в проекте за разработку методов обработки информации.

Авторы считают, что LBCA, скорее всего, подобно клостридиям, имел форму стержня, хотя не исключен и вариант спор.

"Формирование спор позволило бы ранним клеткам выжить в суровых условиях ранней Земли", — объясняет Ксавье.