Исследователи приоткрыли «темную материю» микроорганизмов

Секвенирование ДНК из одной клетки раскрывает тайну разнообразия микроорганизмов.

Недавно появившийся метод анализа генома позволил ученым взглянуть на генетический материал микроорганизмов, исследование которого до настоящего времени было затруднено, и раскрыть неожиданные связи среди различных ветвей древа жизни.

Группа исследователей под руководством Тани Уойк (Tanja Woyke), микробиолога из Института Сборки Генома (Joint Genome Institute) при Министерстве Энергетики США (US Department of Energy) в Уолнат Крик, с помощью метода секвенирования из одной клетки прочла геномы 201 бактерии и архей, полученных из девяти различных сред обитания, таких как гидротермальные жерла и подземные месторождения золота. Ни один из организмов ранее не был просеквенирован и не культивировался в лаборатории. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature [1].

По словам Норман Пэйс (Norman Pace), микробиолога из Университета Колорадо-Боулдер (University of Colorado–Boulder), попытка секвенирования сотен геномов из единичных клеток – это абсолютно новый уровень в микробиологии.

Секвенирование из одной клетки дает возможность ученым расшифровать геном единственной клетки, амплифицировав ее ДНК 1 млрд. раз. Эти организмы были открыты с помощью метагеномных исследований, в ходе которых изучались группы микроорганизмов, живущих в одинаковых местах обитания, культивирование которых в лаборатории затруднено или невозможно.

Уойк и ее группа предприняли попытку изучения темной материи, выбрав весьма широкий спектр микроорганизмов и просеквенировав часть их геномов (от менее чем 10% до более чем 90%, в зависимости от клетки). Полученные данные прояснили взаимосвязи между микроорганизмами.

Результаты показывают, что некоторые традиционные связи между доменами жизни (архей, бактерий и эукариот) не так жестки, как это считалось ранее. Например, исследователи установили, что синтез пуриновых оснований – строительных блоков ДНК и РНК – в одной из групп бактерий происходит с использованием ферментов, существовавших, как ранее предполагалось, только у архей. Между тем, три клетки архей, геном которых секвенировали в ходе исследования, содержат сигма-факторы инициации транскрипции РНК, которые ранее были найдены только у бактерий.

Кроме того, исследователи нашли бактерию, иначе кодирующую трехбуквенную последовательность оснований UGA, известную как опал-кодон (один из трех стоп-коднов). Практически у всех организмов эта последовательность сигнализирует клетке о прекращении трансляции РНК в белок. Однако у найденного организма последовательность кодирует аминокислоту глицин. Исследователи предлагают поместить бактерию в отдельную группу, названную Gracilibacteria.

Подобные изменения кодонов были найдены и в других бактериях, что позволяет предположить, что код жизни может быть более гибким, чем считают ученые.

«Количество новых данных, найденных в 201 геноме, поразительно, поскольку мы исследовали лишь небольшую долю огромного разнообразия», - говорит Уойк.

Исследователи утверждают, что их работа поможет заполнить пробелы на древе жизни. По оценкам Уойк и ее коллег, несмотря на то, что миллионы видов микроорганизмов распределены как минимум по 60 основным филам (крупнейшим таксономическим единицам бактерий и архей), 88% всех культивируемых видов попадают всего лишь в 4 бактериальных филы.

В результате глубокого исследования получена новая информация о взаимоотношениях микроорганизмов, которая позволит точнее классифицировать около 340 млн последовательностей, полученных в результате предыдущих метагеномных проектов. Однако, по расчетам ученых, необходимо будет просеквенировать еще 16 тыс. клеток микроорганизмов для того, чтобы раскрыть хотя бы половину неизученных линий. По словам Джеффри МакЛина (Jeffrey McLean), микробиолога из Института Крейга Вентера (J. Craig Venter Institute) в Сан-Диего (штат Калифорния, США), поле деятельности в этой области еще очень обширно.

«Это подчеркивает силу геномики одной клетки, а также указывает на необходимость приложить дополнительные усилия для заполнения огромного пробела знаний о разнообразии микроорганизмов на Земле», - говорит МакЛин.

Новая методика считывания геномов сложных для секвенирования бактерий и архей указывает на неожиданные связи между видами. (фото: TEK IMAGE/SPL)

По материалам NatureNews

Оригинальная статья: Nature doi:10.1038/nature.2013.13361

Литература:
1. Rinke, C. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature12352 (2013).