Ученые обнаружили почти полное отсутствие эволюции у одной из бактерий
Ученые проанализировали геномы глубинных бактерий Candidatus Desulforudis audaxviator из образцов, собранных в разные годы в разных точках планеты: в Азии, Южной Африке и Северной Америке. К удивлению исследователей, представители разных популяций очень мало отличались друг друга. Маловероятно, что Candidatus Desulforudis audaxviator смогли преодолеть такие большие пространства по воздуху или по воде, а значит, их геном оставался стабильным на протяжении многих миллионов лет. Работа опубликована в The ISME Journal.
Понимание механизмов и темпов эволюции микроорганизмов важно для ученых: эта информация может помочь эффективнее бороться инфекционными заболеваниями, применять биотехнологии для восстановления окружающей среды и лучше понимать разнообразие форм жизни. Современные представления об эволюции бактерий в большинстве основаны на изучении геномов небольшого количества быстро изменяющихся видов, в основном – патогенов и симбионтов человека. Микроорганизмы, выращиваемые в лабораторных условиях, не обделены питательными веществами, смена поколений у них происходит в считанные дни или даже минуты, и для накопления нуклеотидных замен или приобретения генов им достаточно нескольких лет. В последнее время прогресс в изучении микроорганизмов окружающей среды показывает, что лабораторные модели могут быть не идеальными для изучения бактерий и архей в целом. Разные организмы могут придерживаться совершенно разных жизненных стратегий, которые могут повлиять на скорость их эволюции.
Почти неизученные до недавнего времени, глубинные микроорганизмы занимают около 10 процентов всей биомассы на планете. Среди них есть много еще не охарактеризованных видов. Многие из них выживают на небогатых энергией ресурсах, и смена поколений происходит раз в несколько месяцев, а порой и десятков лет. Бактерии Candidatus Desulforudis audaxviator, которые были обнаружены глубоко под землей, стали одними из модельных микроорганизмов для изучения жизни в таких условиях.
Группа ученых под руководством Рамунаса Степанаускаса (Ramunas Stepanauskas) изучила геномы Candidatus Desulforudis audaxviator из образцов, полученных в разные годы в удаленных друг от друга точках планеты. Исследователи ожидали обнаружить генетические различия между геномами бактерий из разных популяций, признаки приспособления к местным условиям окружающей среды. К их удивлению, геномные последовательности оказались практически идентичными между собой. Средняя идентичность нуклеотидов в попарных сравнениях превышала 99,5 процентов.
Тем не менее авторы работы обнаружили 21 уникальный для того или иного места происхождения образцов ген. Эти гены были частично гомологичны генам других подземных микроорганизмов. Соответственно, горизонтальный перенос генов, хоть и нечастый, но все же играет роль в геномном разнообразии Candidatus Desulforudis audaxviator.
Кроме того, ученые заметили 33 региона CRISPR с 138 уникальными спейсерами. Спейсеры были на 100 процентов идентичны друг другу: одинаковыми были и последовательность участков, и их нуклеотидные последовательности. Ученые не обнаружили у бактерий новых спейсеров, которые могли бы возникнуть в ответ на недавние инфекции. Авторы посчитали это удивительным, учитывая, что гены CRISPR считаются крайне быстро изменяющимися.
Таким образом, геномы Candidatus Desulforudis audaxviator с трех разных континентов оказались на удивление похожи друг с другом. Авторы работы исключили предположение, что образцы были каким-либо образом загрязнены или смешаны между собой: трудно представить условия, при которых смешались бы образцы, полученные и проанализированные, например, в США в 2005 году и в России в 2018 году. Исследователи, собиравшие образцы в Сибири, никогда не бывали в Южной Африке или Калифорнии, и наоборот.
Ученые рассмотрели возможность природного переноса бактерий на такие большие расстояния. Однако Candidatus Desulforudis audaxviator, скорее всего, не могут путешествовать по воздуху в вегетативном состоянии – у этих бактерий нет генов, которые способны защитить их от разрушительного воздействия кислорода. Не могли, скорее всего, они переместиться с континента на континент и с водой: Candidatus Desulforudis audaxviator не выживают в соленой воде, и не были обнаружены в глубоководных течениях.
Места обитания популяций Candidatus Desulforudis audaxviator, участвовавших в исследовании, разделены уже как минимум 55 миллионов лет: тогда Северная Америка отделилась от Евразии. Африка же отделилась от суперконтинента Лаврентии 165 миллионов лет. Разделение популяций Candidatus Desulforudis audaxviator могло произойти во времена расколов суперконтинентов, и получается, что эти бактерии демонстрируют выдающуюся стабильность своего генома.
Ученые попытались выяснить, в чем же причина почти отсутствия эволюции у этих бактерий. Candidatus Desulforudis audaxviator редко формируют споры (то есть почти постоянно метаболически активны), и период удвоения у них – не больше десяти лет. Авторы также не увидели в геномах бактерий признаков сильного селективного отбора. Вероятное объяснение – хорошо развитые механизмы репарации ДНК. Геном Candidatus Desulforudis audaxviator кодирует как минимум семь таких систем. Кроме того, у этих бактерий есть белки, которые связываются с ДНК: возможно, они тоже снижают темпы мутирования. И напоследок, две из трех полимераз (ферментов, осуществляющих синтез ДНК) бактерии не удалось проанализировать в лабораторных условиях – вероятно, они обладают высокой точностью.
Candidatus Desulforudis audaxviator – хемоавтотрофы, которые питаются продуктами радиолиза (процесса разложения воды под действием ионизирующего излучения). Ранее ученые показали, что морской грунт катализирует радиолиз и помогает прокормиться морским бактериям.
Вера Сысоева
Для создания электрогенетического интерфейса использовали человеческие белки
Швейцарские исследователи разработали систему для искусственного управления экспрессией генов с помощью электрогенетического интерфейса, приводимого в действие постоянным током. В эксперименте с его помощью удалось контролируемо синтезировать инсулин пересаженными человеческими клетками в организме крысы, больной сахарным диабетом. Отчет о работе опубликован в журнале Nature Metabolism. Средства современной синтетической биологии позволяют создавать сложные генетические контуры управления клеткой, которые могут выполнять функции осцилляторов, таймеров, модулей памяти, линейных пропускателей, реле и сумматоров. В экспериментах они позволяли контролировать модели различных медицинских состояний, включая рак, бактериальные инфекции, хроническую боль и сахарный диабет. Как правило, такие контуры содержат генетический выключатель, который реагирует на низкомолекулярные соединения, но их применение ограничивают биодоступность, фармакодинамика и побочные эффекты. Поэтому в последнее время различные научные группы испытывают физические триггеры, реагирующие на свет, тепло, магнитные поля и радиоволны, однако их использование также ограничено биодоступностью, использованием нефизиологических кофакторов и возможной цитотоксичностью. Чтобы преодолеть эти ограничения, сотрудники базельского Научно-инженерного отделения биосистем (D-BSSE) Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством Мартина Фуссенеггера (Martin Fussenegger) выбрали в качестве управляющего воздействия электрический ток. Низковольтный постоянный ток, подаваемый по электродам, быстро генерирует в тканях свободные электроны и радикалы, приводящие к образованию активных форм кислорода в низких, не цитотоксических концентрациях. Авторы работы взяли за основу человеческий Kelch-подобный ECH-связанный белок 1 (KEAP1), модулирующий иммунный противоопухолевый ответ. В обычных условиях он секвестрирует фактор транскрипции NRF2 и направляет его на разрушение протеасомами. При повышении концентрации активных форм кислорода он высвобождает NRF2, который перемещается в ядро клетки и связывается с элементами антиоксидантного ответа (ARE). Кратковременного действия тока от бытового элемента питания оказалось недостаточно для активации KEAP1/NRF2, однако их эктопическая постоянная экспрессия давала достаточный ответ. Исследователи ввели в клетки человеческих эмбриональных почечных клеток (HEK293) на вирусных векторах гены KEAP1, NRF2 и репортерного конструкта, кодирующего модельный гликопротеин SEAP (человеческую плацентарную секреторную щелочную фосфатазу) и управляющий ее секрецией синтетический промотор, содержащий оператор ARE. Полученная система, названная DART (DC-actuated regulation technology, технология регуляции с постоянным током в качестве актуатора), надежно вырабатывала искомый белок под действием тока из электродов в питательной среде, не вызывая других изменений в транскриптоме и цитотоксичности. Экспериментальным путем было показано, что оптимально 10-секундное воздействие тока напряжением 4,5 вольта от трех бытовых батареек АА или ААА. В качестве подтверждения концепции авторы работы ввели в клеточную линию, полученную из человеческих мезенхимальных стволовых клеток конструкт DART, вырабатывающий инсулин. Монослой таких клеток в гелевой капсуле поместили под кожу спины мышей, страдавших сахарным диабетом 1 типа. Их стимуляцию проводили током от трех батареек АА с помощью стандартных одобренных ВОЗ и FDA акупунктурных электродов ежедневно в течение 10 секунд. На второй день уровень глюкозы в крови животных пришел в норму и оставался на этом уровне в течение четырех недель эксперимента. Метаболические показатели при этом можно было регулировать, изменяя напряжение тока, продолжительность стимуляции и частоту сеансов. Исследователи рассчитывают, что DART откроет возможность для создания носимых электронных устройств для прямого управления метаболическими вмешательствами. По их мнению, электрогенетические интерфейсы представляют собой недостающее звено на пути к полной совместимости и интероперабельности электронных и генетических систем. В 2017 году американским биотехнологам удалось применить электрический ток для управления генами кишечной палочки (Escherichia coli). Для этого они использовали белок SoxR, который помогает бактерии справляться с окислительным стрессом.