В глубоководных организмах содержится 500 миллионов ранее неизвестных генов

Фото из открытых источников

Глубокие океанские глубины темны, в большинстве мест невыносимо холодны, в других — обжигающе горячи, и почти полностью не исследованы на молекулярном уровне. 

Новое масштабное исследование показало, что это также один из самых богатых резервуаров генетического разнообразия на Земле. Результаты исследования опубликованы в журнале Cell Host & Microbe.

Организмы, живущие в этих экстремальных условиях, фактически решают задачи биологической инженерии, которые еще не удалось решить человечеству. Среди наиболее очевидных открытий — обнаружение белка из глубоководных районов океана, который может улучшить технологию секвенирования ДНК.

В исследовании приняли участие около 60 ученых из Великобритании и Китая под руководством Томаса Мока из Университета Восточной Англии. Группа исследователей проанализировала более 2100 образцов, взятых из глубоководных районов по всему миру.

В число исследованных участков входили океанические желоба, такие как Марианская впадина, гидротермальные источники и выходы метана.Исследователи использовали эти образцы для создания генетического набора данных, содержащего более 500 миллионов уникальных генов и 2,4 миллиона предсказанных структур белков. 

Это одно из самых всеобъемлющих исследований генетики глубоководных организмов, когда-либо проводившихся, расширившее известное разнообразие морских генов более чем на 50 процентов.

Глубоководные районы океана долгое время рассматривались как хранилище – место, где в основном нетронута странная жизнь, представляющая биологический интерес, но на практике удаленная от цивилизации. В этом исследовании предлагается иной подход.

«Эта работа переосмысливает глубоководные районы океана не просто как хранилище биоразнообразия, а как уникальный эволюционный механизм, который активно формирует, диверсифицирует и содержит целый ряд функционально различных генетических признаков», — сказал Мок.

В то время как хранилище находится в пассивном состоянии, двигатель что-то делает. Экстремальные условия глубоководной среды включают в себя давление, способное раздавить большинство организмов, температуру, близкую к нулю, за исключением гидротермальных источников, где она превышает 100 градусов Цельсия, отсутствие света и ограниченное количество кислорода.

Эти условия не просто испытывают жизнь на прочность. Они подталкивают её к поиску решений. Организмы, выживающие в этих местах, несут в своих геномах миллионы лет молекулярных разработок, направленных на решение проблем.

«Природа уже решила многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся в технологиях — нам просто нужно найти и понять эти решения», — сказал Мок.

Одним из наиболее поразительных открытий является структурный аспект. Генетические схемы глубоководных организмов чрезвычайно разнообразны. Однако форма белков, производимых этими генами, зачастую остается поразительно похожей у совершенно разных организмов. 

Это говорит о том, что жизнь в глубоководных районах постоянно эволюционирует на генетическом уровне, при этом по-прежнему опираясь на набор стабильных, базовых белковых структур для решения фундаментальных проблем окружающей среды. Это своего рода молекулярный консерватизм, существующий внутри необычайного разнообразия – эволюция исследует множество путей к одним и тем же надежным целям.

Исследователи выявили белки, участвующие в репликации, рекомбинации и репарации ДНК , как одни из самых быстро эволюционирующих. Это белки, которые помогают организмам справляться с высоким давлением и температурами, близкими к нулю.

Наиболее непосредственно применимое открытие связано с хеликазой — белком, задача которого — раскручивать ДНК, чтобы её можно было прочитать. Глубоководная версия, обнаруженная командой, обладает необычными структурными особенностями, которые отличают её от всего, что было ранее каталогизировано.

Исследователи полагают, что эти особенности могут улучшить секвенирование ДНК с помощью нанопор. Эта технология, используемая в настоящее время в научных исследованиях, медицине и мониторинге окружающей среды, работает за счет пропускания ДНК через крошечную пору и считывания ее показаний по мере прохождения через нее. 

Контроль скорости этого процесса является одной из постоянных проблем в данной области. Глубоководная геликаза потенциально может помочь в решении именно этой задачи.

«Это наглядный пример того, как изучение жизни в экстремальных условиях может напрямую привести к созданию новых инструментов и инноваций», — сказал соавтор исследования Ян Го из Института океанологии Китайской академии наук. «Наша работа снижает барьер для биопоиска морских микроорганизмов, предлагая практичное и масштабируемое решение для исследования глубоководной «геномной темной материи»».

В исследовании используются последние достижения в области отбора проб из глубоководных районов и прогнозирования структуры белков на основе искусственного интеллекта — инструментов, которые лишь недавно стали достаточно мощными для обработки наборов данных такого масштаба. Без них проект по анализу 2100 образцов и полумиллиарда генов был бы невозможен.

«Наши результаты показывают, как мы можем решать некоторые из самых серьезных научных и технологических задач современности, используя микроорганизмы из глубоководных районов океана, и что эти среды, с их физической изоляцией и экстремальными условиями, служат очагами эволюции», — сказал Мок.

Дно океана покрывает более половины поверхности Земли. Большая его часть никогда не была исследована. 500 миллионов генов в этом наборе данных представляют собой лишь малую часть того, что, вероятно, находится там, и это исследование является не только набором результатов, но и подтверждением концепции. 

Более глубокий смысл заключается в том, что глубоководные районы океана заслуживают защиты не только по экологическим соображениям. Возможно, это одна из самых ценных биологических библиотек планеты, и большая её часть ещё не открыта для изучения.