Исследователи из лаборатории Дэвида Карла в Гавайском университете в Маноа (UHM) и из лаборатории профессора Йенса Нильсена в Технологическом университете Чалмерса в Гётеборге, Швеция, разработали компьютерную модель, которая учитывает сотни генов, химические реакции и соединения, необходимые для выживания прохлорококка, самого распространенного фотосинтезирующего микроба на планете. Они обнаружили, что Prochlorococcus значительно изменил свой метаболизм, чтобы уменьшить свою зависимость от фосфора, элемента, который является важным и часто ограничивает рост в океане.
Революционные разработки в технологии секвенирования генов позволили ученым каталогизировать и исследовать генетическое разнообразие и метаболические возможности жизни на Земле - от бактерий кишечной палочки до человека и многих других. Мониторинг океана и достижения в области океанографических датчиков позволили более подробно, чем когда-либо прежде, изучить условия окружающей среды, которые являются одновременно следствием микробной активности и действуют как стрессоры на рост микробов в океане.
Эта новая метаболическая модель представляет собой окно во внутреннюю работу, которая позволяет микробам доминировать в химических и биологических циклах Земли, процветать в самых суровых условиях и делать планету пригодной для жизни - в некотором смысле, черным ящиком.
Микробы, как известно, используют три основные стратегии, чтобы конкурировать за ограниченные элементарные ресурсы: клеточные квоты могут быть скорректированы, стрессовые клетки могут синтезировать молекулы для более эффективного использования доступных ресурсов, и клетки могут получить доступ к альтернативным или более дорогостоящим источникам питательное вещество.
В случае с фосфором, лимитирующим ресурсом в обширных океанических регионах, космополит Prochlorococcus процветает, принимая все три стратегии и четвертую, ранее неизвестную стратегию.
"Создав первую детальную модель метаболизма экологически важного морского микроба, мы обнаружили, что Prochlorococcus разработал способ уменьшить свою зависимость от фосфата за счет минимизации количества ферментов, участвующих в превращении фосфата, тем самым облегчая внутриклеточные потребности. ", сказал Джон Кейси, докторант по океанографии в Школе наук и технологий об океане и земле UHM и ведущий автор недавно опубликованного исследования.
Prochlorococcus имеет чрезвычайно минимальный геном. Если бы он потерял функцию какого-либо одного метаболического гена, его выживание было бы почти броском монеты. К своему удивлению, Кейси и его соавторы обнаружили, что самый распространенный в мире микроб в результате процесса, называемого «оптимизация генома» - согласованной утраты легкомысленных генов в ходе эволюции - всесторонне перепроектировал основные метаболические пути в ответ на к стойкому ограничению фосфора.
«Резкие и масштабные изменения в метаболической сети действительно шокируют», - сказал Кейси. «Однако мы видим, что эти изменения обеспечивают существенное преимущество для роста этого вездесущего микроба в районах океана с ограниченным содержанием фосфора, поэтому кажется, что где есть желание, там и способ».
Компьютерная модель построена на основе огромной библиотеки генетических данных, собранных исследователями со всего мира, и результаты подтверждены данными многочисленных лабораторных экспериментов с культурами и полевых исследований.
"Нас интересуют основополагающие принципы метаболизма и физиологии морских микробов, а это потребует глубокого понимания не только одномерного генетического кода, но и четырехмерного продукта, который он кодирует. за, - сказал Кейси. «Поэтому мы ищем подход на системном уровне, чтобы объединить большое разнообразие физиологических и омических исследований в одну вычислительную структуру, в надежде, что мы сможем начать учиться на устройстве и взаимодействии этих сложных систем."
В будущем исследователи планируют расширить модель, включив в нее больше представителей морского микробного сообщества и глубже изучить микроразнообразие внутри рода Prochloroccocus.
Это позволит нам моделировать метаболизм морского микробного сообщества с беспрецедентным уровнем детализации; встраивание этих мелкомасштабных симуляций в модели глобальной циркуляции океана обещает дать представление о том, как сообщества микробов взаимодействуют с окружающей средой и друг с другом., - сказал Кейси.