Это из области научной фантастики, хотя в этом нет ничего фантастического: исследователи обнаружили множество ранее неизвестных микроорганизмов, обладающих генетическим элементом, который позволяет им самомутировать.
Более того, количество этих организмов настолько велико, что они резко расширяют разнообразие древа жизни.
Эти микроорганизмы могут быть в 500 раз меньше, чем бактерии, такие как кишечная палочка. Coli», - сказал микробиолог из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Дэвид Валентайн. «Они также делают необычные вещи с некоторыми ключевыми генами, используемыми для идентификации, например, расщепляют их на части, достаточно маленькие, чтобы сделать их невидимыми для научного наблюдения. Это в сочетании с их сверхмалыми размерами объясняет, почему их не замечали до недавнего времени».
Чтобы точно определить эти крошечные организмы - достаточно крошечные, чтобы пройти через фильтры, которые улавливают традиционные микробы - ученые обратились к образцам подземных вод из водоносного горизонта Колорадо. Анализируя многочисленные геномы в них, они обнаружили преобладание необычного генетического элемента, с которым они уже однажды сталкивались: ретроэлементов, генерирующих разнообразие (DGR). Новые данные опубликованы в журнале Nature Microbiology.
Соавтор Валентайн, профессор кафедры наук о Земле Калифорнийского университета в Сан-Диего, вместе с докторантом Блэром Полом и соавторами из Калифорнийского университета в Беркли, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе показывают, что эти DGR активны в разросшихся линиях недавних открыли типы: два класса архей - примитивные, одноклеточные, бактериоподобные микроорганизмы - и среди потенциальных новых кандидатов в бактерии на биологическом древе жизни. Эти новые биологические классы, по-видимому, непропорционально содержат DGR, что позволяет им нацеливать свои собственные гены на ускоренную мутацию.
Ведущий автор Пол проанализировал более 500 геномов из пула из 2500 и обнаружил, что большинство представителей определенного класса архей, а также еще не охарактеризованных типов, тесно связанных с бактериями, видимо есть DGR. На самом деле, многие из них обладают несколькими DGR.
«Эти микроорганизмы настолько малы, что они свели к минимуму количество информации, которую они могут кодировать, поэтому они, вероятно, не полностью самостоятельны», - сказал Валентайн, также профессор Института морских наук UCSB. «Это означает, что они участвуют в той или иной форме либо симбиоза, либо паразитизма. Если микроорганизм сокращает свой геном и свою клетку до такого минимального образа жизни, у него должны быть механизмы, которые позволяют ему развивать новые способности, а также избавляться от ненужных."
Валентин отметил, что механизм DGR может позволить этим организмам делать и то, и другое. Или, возможно, предположил он, они оптимизируются до такой степени, что мутировать уже невыгодно и им приходится избавляться от этой возможности.
«Вывод о том, что DGR относительно широко распространены в крошечных бактериях, ведущих симбиотический образ жизни, представляет большой интерес, поскольку эти элементы, вероятно, способствуют невероятному разнообразию белковых последовательностей, обнаруженных в этих организмах», - сказала соавтор Джилл Бэнфилд, профессор. наук о Земле и планетах в Калифорнийском университете в Беркли.
Хотя очень мало известно о том, как DGR саморегулируются, ученые обнаруживают, что эти элементы способны направлять и ориентировать определенные участки для мутации. Изучая последовательность ДНК из геномов, исследователи обнаружили недавнюю мутационную активность и наблюдали механизм в действии благодаря транскрибируемой РНК.
«Одна из причин, по которой мы смогли увидеть закономерность мутаций в ДНК, заключалась в том, что набор данных восстановил такую глубину геномов, что мы смогли увидеть их изменчивость», - сказал Пол.
Этот механизм нацелен только на один из четырех различных нуклеотидов (A, C, G, T), которые формируют основную структуру нуклеиновых кислот, таких как ДНК. Синтез и расщепление нуклеиновых кислот требуют ферментов для облегчения любого процесса. Фактически, биохимический артефакт фермента был тем, что впервые раскрыло этот механизм исследователям UCSB. Отличительные признаки и расположение, а также наличие только мутаций типа А являются отличительными чертами этого механизма.
«Существуют похожие белки, которые не мутируют только A, но подвержены ошибкам», - объяснил Пол. «Мы думаем, что этот фермент также склонен к созданию мутаций».
Поскольку ученые имеют дело с новыми организмами, они еще не смогли определить, что делает подавляющее большинство разнообразных белков.
"Важный вопрос заключается в том, изменяют ли эти мутации белки, которые кодируют гены, или они предназначены для того, чтобы прервать сами гены и нацелить их на удаление из генома?" - спросил Пол. «Если этот механизм вызывает мутации, которые приводят к гибели некоторых генов, это может быть связано с эволюционными преимуществами."
«Это открытие показывает, как быстро происходит эволюция некоторых из самых маленьких и наиболее распространенных, но наименее известных микробов на Земле», - говорит Майк Сираки из отдела наук об океане Национального научного фонда и директор по измерениям биоразнообразия. программа, спонсировавшая исследование.
«Еще так много предстоит узнать о микробном мире», - сказал Лесли Рисслер, содиректор «Измерения биоразнообразия». «Это исследование дает представление об уникальных механизмах, которые позволяют адаптироваться и реагировать на стресс окружающей среды».