02.11.2012

Обнаружились бактерии с архейным метаболизмом

Специалисты, занятые в проекте по очистке подземных вод, проанализировали метагеномный набор микробной биомассы в различных водных скважинах. Помимо хорошо известных бактерий и фагов они встретили и представителей недавно установленных филумов, и совсем новых бактерий. Вновь открытые организмы, хотя и располагаются на филогенетическом древе вместе с бактериями, имеют в своем метаболизме характерные черты архей. Теперь перед учеными поставлена интереснейшая задача — разобраться с этими «химерными» организмами, пишет Science.

В ходе выполнения проекта по изучению микробиологических и геохимических факторов транспортировки и утилизации урана в подземных водах был собран превосходный микробиологический материал. Его отбирали из скважин глубиной 3, 4 и 5 метров; это были пробы воды с низким содержанием кислорода и, естественно, с анаэробными подземными микрообитателями. Перед отбором проб в эти скважины выливали подготовленный раствор ацетата. Как известно, ацетат стимулирует рост анаэробной микрофлоры (он может выступать и донором, и акцептором электронов в анаэробных процессах), так что исследователи расчитывали получить из бедных подземных вод неплохой урожай микрофлоры. И действительно, пропустив по 200 литров воды через бактериальные фильтры (несколько скважин, по три пробы из каждой: на 5, 7 и 10 день после добавления ацетата), они выявили весьма и весьма разнообразный набор микроорганизмов. Группа исследователей с факультета наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Беркли, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде и Национальной лаборатории Оак Ридж взялась за метагеномный анализ этого разнообразия. Ясно, что большая часть микрофлоры относится к некультивируемым организмам, поэтому анализ генетического набора полученной микробной биомассы — это единственный (на сегодняшний день) способ узнать, кто же там живет, в этом царстве подземных вод.

Ученые выявляли гены 16SрРНК, на основе которых в настоящее время строится таксономия микроорганизмов. Использовался новый метод реконструкции последовательности рибосомальных РНК, который оказался надежнее других при анализе неизвестных наперед сложных микробных сообществ. Он назван EMIRGE (expectation maximization iterative reconstruction of genes from the environment) и подробно описан в статье Miller et al., 2011. EMIRGE: reconstruction of full-length ribosomal genes from microbial community short read sequencing data.

По этим генам были выявлены 87 видов бактерий с определенной частотой встречаемости в пробе (рис. 1). Для каждого из них комплектовался геном с помощью так называемых «геномных водяных знаков» (характерных для данного вида сочетаний нуклеотидов, подробнее данная методика описывается в статье G. J. Dick et al., 2009. Community-wide analysis of microbial genome sequence signatures). Таким образом, набралось 49 более или менее полных геномов некультивируемых организмов.

Среди этого набора нашлись и давние знакомые — протеобактерии и фаги, и менее известные, но всё же уже описанные типы бактерий — представители филумов BD1-5, OD1, OP11. Для них, прежде известных по нескольким фрагментарным генам, теперь стали известны почти полные геномы. Следовательно, можно в некотором приближении реконструировать их метаболизм и свойства. Оказалось, что представители одного из филумов — BD1-5 — используют не обычный геномный код, а его редкую модификацию, так называемый код 4. В этом коде привычный стоп-кодон UGA вовсе не останавливает считывание последовательности, а кодирует аминокислоту триптофан. Подобный код используют еще микоплазмы, фирмикуты, протеобактерии и некоторые другие. Помимо этого, одна из этих бактерий синтезирует АТФ не так, как другие бактерии, а как археи. Она использует для этого тот же фермент, что и серо- или сульфатредукторы. В этом процессе участвует набор гидрогеназ, которые приводят к образованию водорода или сероводорода в зависимости от химического и биологического окружения. Эти ферменты также близки к архейным.

Кроме того, объявились и совсем новые участники микробного сообщества с совсем уж необычными свойствами. Их назвали Peregrines («чужеземный» в переводе с английского, сокращенно Per), и свое название они получили из-за непостоянного места на филогенетических реконструкциях (рис. 2). Эти «новобранцы» по своим геномным последовательностям оказались на бактериальной ветви древа жизни, но проявили некоторые недавно открытые метаболические свойства архей (рис. 3).

Мы видим, что в надцарстве бактерий очень много неизвестного. Разнообразие бактерий мы пока оцениваем очень и очень приблизительно: некультивируемая часть микрофлоры остается практически неизведанной. В метаболизме бактерий, как выясняется, имеется немало типично архейных черт. Возможно, это заимствования, но возможно, что нет в природе типично бактериальных и типично архейных путей. Это ученым еще предстоит выяснить.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru