«Это первое молекулярное свидетельство активного деления клеток в глубокой биосфере», — говорит постдокторский исследователь WHOI и ведущий автор исследования Билл Орси. Предыдущие исследования и модели предполагали, что клетки живы, но действительно ли клетки делятся или нет, оставалось неясным.
Обнаружение такой большой активности в глубинной биосфере имеет значение для нашего понимания глобальных биогеохимических циклов, говорят авторы исследования.
«Клеток там очень много, но они не обладают высокой активностью», — говорит микробный эколог WHOI Вирджиния Эджкомб. "Но это огромная биосфера, и когда вы посчитаете, вы увидите, что мы говорим о потенциально значительном вкладе. Углерод переходит в оборот, и это имеет важные последствия для моделей круговорота углерода и азота."
Исследователи проанализировали информационную РНК (мРНК) с разных глубин в осадочном керне, собранном у побережья Перу в 2002 году во время 201 этапа программы Ocean Drilling. Их работа была опубликована в журнале Nature 12 июня.
Этот первый взгляд на работу ранее скрытой экосистемы стал возможным благодаря первому успешному извлечению полной мРНК, или «метатранскриптома», из глубин биосферы.
Мессенджер РНК пользуется большим спросом у микробных экологов, потому что ее присутствие указывает на то, что клетки, которые ее создали, живы, и потому, что она несет инструкции для белков, производимых клетками. Это дает исследователям ценную информацию о биохимических механизмах и процессах, которые организмы используют для функционирования.
Но поскольку скорость метаболизма в глубинной биосфере очень низка, и поскольку мРНК присутствует в таких небольших количествах — всего от 4 до 10 процентов от общей РНК в большинстве образцов окружающей среды, — ее извлечение в достаточном количестве для анализа из глубоких отложений имеет многие ученые считали невозможным, — говорит Эджкомб.
«Это непросто», — говорит Уильям Орси, который разработал технику экстракции, когда работал исследователем в лаборатории Эдгкомба в WHOI. "Есть определенное количество ударов головой о стену, прежде чем это сработает."
Среди белков, которые, как они обнаружили, закодированы в мРНК, многие участвуют в делении клеток, что указывает на то, что клетки, которые сделали их, принадлежат к растущим, размножающимся популяциям.
Группа обнаружила мРНК, связанные с делением клеток на всех исследованных глубинах, от 5 до 159 метров ниже морского дна. По словам Орси, таких сообщений было больше всего в зонах, где количество клеток было самым высоким, что указывает на то, что более крупные популяции клеток там, вероятно, были вызваны делящимися клетками.
Исследование также выявило мРНК для конкретных биохимических путей, которые многое раскрывают о работе экосистемы глубокой биосферы и ее значении для глобальных циклов. МРНК произошли от бактерий и архей, которые долгое время считались основными игроками в подводной экосистеме; и от грибов, которые, как недавно было предложено, играют здесь важную экологическую роль.
«До недавнего времени грибы в глубоких отложениях игнорировались», — говорит Орси. "Тот факт, что грибы метаболически активны в глубоких отложениях, уточняет наши представления о масштабах глубинной биосферы."
Также были обнаружены информационные РНК, кодирующие ферменты, участвующие в восстановлении сульфатов и нитратов, процессы, которые клетки используют для генерации энергосберегающей молекулы АТФ.
«Было высказано предположение, что большая часть энергии, которую микробы получают в этой среде, происходит за счет восстановления сульфатов», — говорит Орси. «В основном, вместо того, чтобы дышать кислородом, они« дышат »сульфатом."
До сих пор модели микробной активности в глубоких отложениях включали восстановление сульфата, но не включали значительное использование нитратов. Текущее исследование обнаружило сопоставимое количество мРНК, участвующих в восстановлении нитратов и сульфатов, что позволяет предположить, что оба процесса важны в сообществе глубинной биосферы.
Исследователи также обнаружили доказательства того, что клетки в глубокой биосфере поедают аминокислоты, которые являются богатым источником углерода и азота и могут поступать только от других живых (или недавно умерших) организмов.
«Чтобы быть надежным источником пищи для этих клеток, предыдущие исследования показали, что, вероятно, должно быть много умирающих и / или мертвых клеток, чтобы обеспечить аминокислоты», — говорит Орси. Он и его коллеги думают, что эти мертвые или умирающие клетки являются естественными для глубин биосферы, а не остатками, которые дрейфовали по воде, потому что большая часть мертвого материала, который достигает морского дна сверху, быстро съедается. Глубже, чем на несколько сантиметров, большинство аминокислот поступает из клеток, которые там жили и умирали.
Эксперимент преподнес еще один сюрприз: многие клетки глубинной биосферы вырабатывают белки для образования жгутиков, хлыстоподобных «хвостов», которые продвигают их через жидкую среду. Исследователи даже смогли показать, что клетки, производящие жгутиковые белки, находятся в областях осадка, где поровые пространства достаточно велики, чтобы обеспечить движение, управляемое жгутиками. Другие клетки продуцировали мРНК, связанные с скольжением и подергиванием. Таким образом, работа предоставила убедительные доказательства того, что клетки в глубоких отложениях способны к самым разным видам движения.
«Если есть место для переезда, они переезжают», — говорит Орси.
Текущий проект вырос из более ранних исследований, проведенных в 2005 и 2008 годах микробиологом Университета штата Вашингтон Дженнифер Биддл, которые показали, что ДНК грибов встречается в глубоких отложениях из различных мест, в том числе из того, из которого взяты текущие образцы.
После дальнейшей работы Биддла, Эдгкомба и других коллег в 2010 году, предположившей наличие активных популяций живых грибов в отложениях, Орси и Эдгкомб получили финансирование от Центра исследований темной энергии биосферы, научно-технического центра, финансируемого NSF, для в дальнейшем преследовать активность грибов в глубокой биосфере.
Орси говорит, что получение мРНК было лишь одной из технических задач комплексного исследования. Его извлечение дало более одного миллиарда читаемых последовательностей мРНК.
«У нас была огромная матрица информации — миллиард последовательностей и миллионы бит информации, связанных с ними», — говорит он. "Как понять, что важно, и найти корреляции?"
Орси работал с Гленном Кристманом, программистом в области биоинформатики из Университета штата Вашингтон, чтобы интегрировать несколько инструментов биоинформатики для решения конкретных экологических вопросов.
Их подход позволил провести эффективный и высокопроизводительный анализ данных, который облегчил изучение огромного количества данных.