Биологи составили метаболический портрет последнего общего бактериального предка

Ученые восстановили метаболический портрет последнего общего бактериального предка – группы бактерий, от которой, предположительно, позже произошли все бактерии на Земле. Древняя бактерия была автотрофом и обладала формой бациллы (палочки). Среди современных бактерий самым близким родственником предковой формы исследователи назвали класс Clostridia. Результаты анализа опубликованы в Communications Biology.

Среди всех клеток на Земле бактерии не только самые распространенные, но и самые разнообразные с точки зрения физиологии и метаболизма. Бактерии считаются самыми древними клеточными существами. Изотопные следы позволяют отследить автотрофов до 3,9 миллиарда лет назад. Основываясь на универсальности генетического кода, хиральности аминокислот и общих свойства метаболизма, ученые предполагают, что когда-то существовал последний универсальный общий предок – популяция организмов, которая затем разделилась на археи и бактерии. В свою очередь, у всех архей и всех бактерий было по своему общему предку.

Благодаря филогенетическим реконструкциям известно, что универсальный общий предок был термофильным анаэробом. И филогеномика, и геологические исследования указывают, что последний общий предок архей, в свою очередь, был метаногеном (организмом, который образует метан как побочный продукт метаболизма) или подобным ему анаэробным автотрофом. Предок архей фиксировал углерод через путь Вуда-Льюнгдаля (восстановительный Ацетил-Коа путь). Однако про общего бактериального предка почти ничего не известно. Скорее всего, он был анаэробом, потому что кислород появился позже него в земной атмосфере как продукт метаболизма цианобактерий. Однако горизонтальный перенос генов, который позволяет бактериям обмениваться наследственной информацией друг с другом, сильно затрудняет подробную реконструкцию образа бактериального предка: его потомки обменивались генами на протяжении четырех миллиардов лет. 

Команда биологов из Университета Генриха Гейне под руководством Вильяма Мартина (William F. Martin) предложила для реконструкции предковой бактерии сравнивать метаболические пути организмов. 

Ученые проанализировали 5443 референсных бактериальных генома и выбрали те 1089 из них, которые принадлежали анаэробным организмам. Оставшиеся геномы кодировали почти 2,5 миллиона белковых последовательностей. Эти последовательности ученые разделили на 114 тысяч семейств, 146 из которых привлекли особенное внимание исследователей: как минимум в 90 процентах всех проанализированных геномов присутствовали 122 семейства из 146. Почти половина этих генов была задействована в обработке информации, синтезе белка или имела другие структурные функции, остальные же соответствовали как минимум одной реакции метаболизма, представленной в киотской энциклопедии генов и геномов. 

Данные анализа показали, что предковая бактериальная клетка обладала почти полным метаболическим путем глюконеогенеза. Реакция, катализируемая ферментом пируваткиназой, обратима у эукариотов и бактерий, и скорее всего, пируваткиназа снабжала клетку фосфоенолпируватом для дальнейшего синтеза аминокислот и пептидогликанов. Также с бактериальным предком связали еще несколько киназ и ферментов, задействованных в процессе деления клетки, сортировке и деградации белков. 

Полученный учеными предположительный список белковых семейств бактериального предка составил тесно связанную метаболическую сеть из 243 веществ. Из 130 возможных реакций, только одна оказалась не связана с остальными. Такая метаболическая сеть позволила бы произвести 48 из 57 необходимых для жизни прокариотов метаболита: 20 аминокислот, по четыре основания ДНК и РНК, восемь универсальных кофакторов, глицерол-3-фосфат как прекурсор жиров и 20 аминоацилированных транспортных РНК. Для полного комплекта не хватает «заряженных» тРНК для нескольких аминокислот и двух кофакторов. При помощи компьютерного алгоритма ученые сначала добавили все реакции, не кодируемые геномом предполагаемого бактериального предка, а затем убрали все лишние, до тех пор, пока не стал возможен синтез всех необходимых метаболитов при минимальном наборе реакций. Для этого понадобилось только девять дополнительных генов, и семь из них кодируют аминоацил-тРНК-синтетазы. Возможно, в бактериальной предковой клетке аминоацил-тРНК-синтетазы действовали несколько случайным образом, с невысокой специфичностью присоединяя к тРНК аминокислоты. 

Получившаяся система не самодостаточна, но и бактериальный предок, в свою очередь, должен был получить определенный набор генов от общего универсального предка. Метаболизм такой бактериальной клетки основан на трех важных узлах: превращении аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ) и соответствующего энергетического обмена; переносе водорода при помощи НАДФ; и осуществляемой при помощи ацилпереносящего белка реакции, как важного центра углеродного обмена – синтеза жирных кислот.

Также биоинформатические анализ позволил исследователям определить самых близких современных родственников древней бактерии. Ими оказались бактерии класса Clostridia. Это противоречит результатам некоторых предыдущих работ, основанным на методах белковой филогении. Проведенное исследование также поддерживает гипотезу о том, что грамотрицательные бактерии произошли от грамположительных. 

Восстановление картины метаболизма по геномам помогает ученым не только реконструировать портреты не дошедших до наших дней одноклеточных организмов, но и изучать современные, но не поддающиеся культивированию в лабораторных условиях бактерии. Так, секвенирование позволило биологам описать необычное микробное сообщество, обитающее на дне соленого озера.

Вера Сысоева