В рамках международного сотрудничества под руководством Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) самые последние результаты исследования темной материи микробов были опубликованы в Интернете 14 июля 2013 года в журнале Nature.«Вместо того, чтобы гадать сквозь сумерки космоса, это достижение больше похоже на экспедицию Льюиса и Кларка по открытию американского Запада в 21 веке», — сказал Эдди Рубин, директор DOE JGI. «Это яркий пример того, как DOE JGI является пионером открытия, поскольку мы можем использовать высокопроизводительный подход к выделению и характеристике отдельных геномов из сложных образцов окружающей среды из миллионов клеток, чтобы обеспечить глубокий скачок в понимании эволюции микробов на нашем планета. Это действительно следующий великий рубеж ».Эта кампания микробной темной материи была нацелена на некультивируемые микробные клетки из девяти различных местообитаний: озера Сакино в Британской Колумбии; лагуна Этолико в западной Греции; шламовый реактор в Мексике; залив Мэн; у северного побережья острова Оаху, Гавайи, тропического круговорота в южной части Атлантического океана; Восточно-Тихоокеанское поднятие; шахта Хоумстейк в Южной Дакоте; и Великий кипящий источник в Неваде.
Из этих образцов команда отсортировала с помощью лазера 9000 клеток, из которых они смогли собрать и идентифицировать 201 отдельный геном, которые затем можно было сопоставить с 28 основными ранее неизведанными ветвями древа жизни.«Микробы — самая многочисленная и разнообразная форма жизни на Земле», — сказала Таня Войке, руководитель микробной программы DOE JGI и старший автор публикации Nature. "Они занимают все мыслимые экологические ниши, от глубин океанов до самых засушливых пустынь.
Однако нашим знаниям об их привычках и потенциальных преимуществах препятствует тот факт, что подавляющее большинство из них еще не культивировалось в лабораторных условиях. . Таким образом, мы только недавно узнали об их роли в различных экосистемах с помощью методов, не зависящих от культивирования, таких как метагеномика и одноклеточная геномика. Сейчас мы обнаруживаем неожиданные метаболические особенности, которые расширяют наше понимание биологии и ставят под сомнение установленные границы между области жизни ".Чтобы обойти трудности выращивания большинства микробов в лаборатории, недавние усилия были сосредоточены на проведении исследований на основе маркеров секвенирования или генов рибосомной РНК 16S, которые сохраняются в разных микробных клонах из-за их важной роли в качестве генов «домашнего хозяйства», что имеет решающее значение для выживание организма. Однако секвенирование остальных геномов большинства этих линий происходит гораздо медленнее. «Представление микробного генома в базах данных весьма искажено, — сказал Крис Ринке, научный сотрудник DOE JGI и первый автор исследования. «Более трех четвертей всех секвенированных геномов относятся к трем таксономическим группам или типам, но мы знаем о более чем 60 типах».
Однако для большинства из них нет культурных членов.«Основываясь на опросах 16S, мы знаем, что они существуют, но мы мало о них знаем — поэтому мы называем их микробной темной материей», — добавил Войке. «Использование современных одноклеточных методов позволило нам получить доступ к генетической структуре некоторых из них, даже не выращивая их в лаборатории».В рамках этой попытки «найти новую жизнь» выводы команды разделились на три основных направления.
Первым было открытие неожиданных метаболических особенностей. Они наблюдали определенные черты у архей, которые ранее были замечены только у бактерий, и наоборот. Одна из таких черт связана с ферментом, который бактерии обычно используют для создания пространства внутри своей защитной клеточной стенки, что необходимо для того, чтобы клетка могла, например, расширяться во время деления клетки. Поскольку он обычно расщепляет защитную оболочку бактериальной клетки, его необходимо очень строго регулировать.
Впервые было обнаружено, что группа архей кодирует этот мощный фермент, и авторы предполагают, что археи могут использовать его в качестве защитного механизма против атакующих бактерий.Вторым вкладом, внесенным в эту работу, было правильное переназначение или объединение данных примерно 340 миллионов фрагментов ДНК из других мест обитания в соответствующую линию.
Эта коррекция курса дает представление о том, как организмы функционируют в контексте конкретной экосистемы, а также значительно улучшенное и более точное понимание ассоциаций недавно обнаруженных генов с постоянными формами жизни.Третьим открытием стало разрешение взаимосвязей внутри и между микробными типами — таксономическое ранжирование между доменом и классом — что привело команду к предложению двух новых супертипов, которые представляют собой очень стабильные ассоциации между типами. 201 геном предоставил надежные ориентиры, якоря для филогении — истории происхождения организмов, поскольку они меняются с течением времени. «Наши одноклеточные геномы позволили нам заглянуть в эволюционные отношения между некультивируемыми организмами — идеи, выходящие за рамки разрешения одного локуса дерева 16S рРНК, и имеют важное значение для изучения бактериального и архейного разнообразия и эволюции», — сказал Войке. «Это немного похоже на просмотр генеалогического дерева, чтобы выяснить, кто ваши сестры и братья. Здесь мы сделали это для групп организмов, для которых у нас есть только фрагменты генетической информации.
Мы интерпретировали миллионы этих битов генетической информации как далекие звезды. в ночном небе, пытаясь выровнять их в узнаваемые созвездия. Сначала мы не знали, как они должны выглядеть, но мы могли оценить их отношения друг к другу не в пространстве, а в течение эволюционного времени ». Войке и ее коллеги стремятся к более точной характеристике этих отношений, чтобы они могли лучше предсказать метаболические свойства и другие полезные черты, которые могут быть выражены различными группами микробов.Фил Хугенхольц, директор Австралийского центра экогеномики в Университете Квинсленда, бывший исследователь DOE JGI и еще один из авторов статьи подтвердили мотивацию для участия в этой своего рода экспедиции. «Вот уже почти 20 лет мы удивляемся тому, насколько мало известно о массивных регионах древа жизни. Этот проект — первая систематическая попытка устранить этот огромный пробел в знаниях.
Один из самых значительных вкладов — это то, что основано на этих data, мы предоставили названия для многих из этих линий, которые, как и большинство звездных систем, были просто пронумерованы ранее. Для меня таксономическое назначение важно, поскольку оно приветствует незнакомцев и делает их частью семьи. Но это только начало.
Мы говорят о миллионах видов микробов, которые еще предстоит описать », — сказал Гугенгольц.Космологи нанесли на карту лишь половину одного процента наблюдаемой Вселенной, и дальнейший путь в геномике окружающей среды также пугает. «Еще предстоит исследовать ошеломляющее количество разнообразия», — сказал Войк. «Чтобы попытаться уловить 50 процентов только известного в настоящее время филогенетического разнообразия, нам нужно было бы секвенировать еще 20 000 геномов, и их нужно было бы выбрать на основании того, что они являются членами недостаточно представленных ветвей на дереве.
И, конечно же, это только то, что известно о существовании ".Публикация Nature «Взгляд на филогенез и кодирующий потенциал микробной темной материи» основана на пилотном проекте DOE JGI, Геномной энциклопедии бактерий и архей (GEBA: http://www.jgi.doe.gov/programs/GEBA/ ) и тесно связан с другими международными усилиями, такими как проект Microbial Earth Project, который направлен на создание всеобъемлющего каталога генома всех штаммов архей и бактерий (http://www.microbial-earth.org), а также Project Microbiome Project (http : //www.earthmicrobiome.org).
Более подробная информация о GEBA-MDM доступна по адресу: http://bit.ly/GEBA-MDM.К DOE JGI, автор статьи по MDM, присоединились исследователи из Университета Билефельда, Германия, Калифорнийского университета в Дэвисе, Технологического университета Сиднея, Лаборатории Бигелоу по океанологии, Университета Британской Колумбии, Университета Невады, Лас-Вегас. , Университет Западной Греции, Океанографический институт Вудс-Холла, Университет штата Иллинойс в Урбана-Шампейн и Австралийский центр экогеномики Университета Квинсленда, Австралия.