NASA предложило будущим роверам искать жизнь напрямую с помощью мини-лаборатории
Мелисса Флойд (Melissa Floyd), ученый из Центра космических полетов имени Годдарда (NASA), рассказала о планах по разработке мини-лаборатории для прямого поимка следов жизни в образцах пород, взятых с других планет.
Несмотря на то, что ученые уже достаточно долгое время ищут следы жизни на других планетах, их попытки до сих пор не увенчались успехом. Как правило, исследователей интересуют биомаркеры — вещества, присутствие которых может указать на существование живых организмов: к ним относятся метан, кислород, углекислый газ, озон и, конечно, вода. При этом NASA до сих пор не создавало инструментов, которые бы напрямую искали бактерии или другую примитивную жизнь, что, в первую очередь, связано с техническими трудностями. На экзопланетах при текущем уровне развития технологий «разглядеть» жизнь попросту невозможно, а для того, чтобы найти ее на планетах Солнечной системы, нужно разработать автономную лабораторию, что тоже довольно непросто.
В рамках нового проекта в NASA Мелисса Флойд планирует разработать инструмент для роверов, который будет напрямую искать бактерий или архей в горных породах и грунте других небесных тел — например, на Марсе или на лунах других планет. Бактерии и археи — большая группа одноклеточных организмов, которые, как считается сегодня, были первыми организмами, появившимися на Земле около 4 миллиардов лет назад. Они встречаются в совершенно разных средах и могут противостоять экстремальным условиям.
В основе концепции, которую, по мнению Флойд, можно воплотить как в виде отдельного робота, так и в виде инструмента для марсохода, лежит популярный метод анализа — флуоресцентная гибридизация in situ или FISH. Он использует ДНК-пробы, меченные флуоресцентной меткой, для определения точного местоположения последовательности ДНК или РНК непосредственно в клетке, клеточном ядре или на хромосомах. В лаборатории FISH-метод включает нанесение образцов на стекло, фиксацию клеток, добавление ДНК-проб, которые связываются с комплементарными мишенями в образце, и помещение образцов под микроскоп.
Флойд пытается определить, как ей адаптировать этот процесс для робота. Астробиолог отмечает, что ей хотелось бы, чтобы система могла нести до 10 проб для идентификации широкого круга одноклеточных организмов. Главная сложность заключается в упрощении и автоматизации метода, чтобы робот наносил каждый образец на стекло, нагревал его, как требует флуоресцентная гибридизация in situ, и сам вращал стекло, что наверняка потребует многократной фокусировки для исследования деталей.
В число небесных тел Солнечной системы, которые считаются потенциально подходящими для возникновения или существования земной жизни, входят Марс, Энцелад, Титан и Европа. Тем не менее, все небесные тела, кроме Красной планеты, остаются пока что мало изученными.
Кристина Уласович
Но увеличиться в размерах им не удалось
Американские и бразильские исследователи представили результаты наблюдений за эволюцией клеток с синтезированным искусственно минимальным геномом. За две тысячи поколений они восстановили приспособляемость к внешним условиям, но не смогли увеличиться в размерах. Статья об этом опубликована в журнале Nature. В 2010 году сотрудники Института Дж. Крейга Вентера получили первую клетку с полностью искусственным геномом. Для этого они удалили собственную ДНК у бактерии Mycoplasma mycoides и заменили ее на несколько модифицированную, синтезированную в лаборатории. Она состояла примерно из миллиона пар азотистых оснований и содержала 901 ген. Клетка получила название JCVI-syn1.0. После этого исследовали задались целью выяснить, какой минимальный набор генов необходим клетке для самостоятельного выживания и размножения, и стали снабжать клетки все более урезанными геномами. О том, как это происходило, подробно рассказывает материал «Прожиточный минимум», вышедший в 2016 году, когда была создана версия JCVI-syn3.0 с минимальным геномом, который состоял всего из 473 генов. Этого оказалось недостаточно для устойчивого размножения и удобства экспериментов, и несколько генов пришлось добавить. Текущая версия JCVI-syn3B, о которой идет речь в новой работе, содержит 493 гена. На сегодняшний день это организм с наименьшим известным геномом, способный расти в чистой лабораторной культуре. Джей Ти Леннон (J. T. Lennon) из Университета Индианы с коллегами из Института Дж. Крейга Вентера и других научных центров Бразилии и США сравнили уровень накопления мутаций у организмов с минимальным и не минимальным геномами — JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0. Чтобы минимизировать влияние естественного отбора, их предварительно акклиматизировали в стандартной жидкой питательной среде и последовательно выращивали несколько моноклональных популяций из одной забранной клетки. Оказалось, что среднее число мутаций на нуклеотид за поколение у них практически неразличимо: 3,25 × 10−8 против 3,13 × 10−8 (p = 0,667). Это наивысший уровень накопления мутаций, когда-либо зафиксированный у клеточных организмов, что соответствует имеющимся представлениям о том, что при меньшем геноме скорость мутаций выше (а у M. mycoides она высока изначально). Общее распределение мутаций по типам (инсерции, делеции, однонуклеотидные замены) также оказалось схожим (χ22 = 4,16; p = 0,125). Однако состав однонуклеотидных мутаций, которые составляли 88 процентов от общего количества, у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 был разным. В обоих типах клеток замена гуанина или цитозина на аденин или тимин происходила значительно чаще, чем наоборот, однако степень этого неравновесия была разной: в 30 раз при не минимальном геноме и в 100 раз — при минимальном. Вероятно, это связано с отсутствием у последних гена ung, отвечающего за эксцизию неверно встроенного в ДНК урацила. Выяснив это, исследователи поставили эволюционный эксперимент, пронаблюдав за 2000 поколений в популяции из более чем 10 миллионов клеток. За такой период каждый нуклеотид их генома должен был мутировать более 250 раз, что создает неограниченное генетическое разнообразие для адаптации к среде. Таким образом, при прочих равных условиях потенциальная разница в путях естественном отборе между популяциями у JCVI-syn3B и JCVI-syn1.0 обусловлена только искусственным урезанием генома. Оказалось, что изначально она приводит к снижению максимальной скорости роста примерно наполовину. Однако этот показатель растет линейно со временем, и концу эксперимента приспособляемость клеток в двух группах практически сравнялась, а если оценивать ее относительно, то клетки с минимальным геномом эволюционировали на 39 процентов быстрее, и генетические паттерны эволюционных путей у них отличались. Наиболее выраженной особенностью JCVI-syn3B стало то, что в процессе эволюции их клетки не увеличивались в размерах, что обычно происходит при достатке питательных веществ (клетки JCVI-syn1.0 за это время увеличились в среднем на 85 процентов в диаметре и десятикратно в объеме). За это отвечали эпистатические эффекты мутаций в гене ftsZ прокариотического гомолога тубулина, который регулирует деление и морфологию клетки. Полученные результаты демонстрируют, что естественный отбор способен быстро повысить приспособляемость наипростейших автономно растущих организмов, причем минимизация генома открывает возможности вовлечения в эволюционный процесс ключевых генов, которые обычно эволюционируют медленно, пишут авторы работы. В 2022 году исследовательский проект LTEE представил результаты эволюционного эксперимента с 2000 поколений кишечных палочек с различными наборами исходных признаков. Оказалось, что, хотя генетическое разнообразие имеет существенное значение на ранних стадиях приспособления, основную роль в эволюционном процессе при бесполом размножении играют случайные мутации.