Вивчаючи геноми анаеробних бактерій, німецькі біологи змогли скласти уявлення про метаболізм і фізіології останнього загального предка бактерій.
В середині 2010-х команда професора Вільяма Мартіна, глави Інституту молекулярної еволюції при Університеті Генріха Гейне (Дюссельдорф, Німеччина), визначила набір з 355 генів і описала фізіологію і середовище проживання останнього універсального загального предка (LUCA) – останньої популяції організмів, від якої пішло все живе на землі. За різними оцінками, предок жив приблизно 3,48-4,5 млрд років тому і не залишив нам ніяких викопних решток.
Тепер та ж наукова група вирішила вивчити останнього загального предка бактерій (last bacterial common ancestor, LCBA). Робота опублікована в журналі Communications Biology.
Серед всіх мікроорганізмів на Землі бактерії не тільки найбільш численні, а й складають найрізноманітнішу область з точки зору фізіології та метаболізму. Ізотопні сигнатури простежують їх автотрофами на 3,9 мільярда років тому. Грунтуючись на універсальності генетичного коду, хіральності амінокислот, вчені вважають, що останній універсальний загальний предок передував розбіжності бактерій і архей. Оскільки бактеріальний і архейний домени монофілетичні – походять від одного прабатьківського виду, – є докази наявності одного явного предка для кожного домена. Їх і назвали останнім спільним предком бактерій і останнім загальним предків архей.
Щоб визначити генетичний код LBCA, його властивості та історію, біологи аналізували геноми анаеробних бактерій, здатних жити і розвиватися за відсутності вільного кисню. «Відмова від аеробів (потребують вільному молекулярного кисню для процесів синтезу енергії, на відміну від анаеробів; до них відносять переважна більшість тварин, всі рослини і значну частину мікроорганізмів) мала для нас сенс, – пояснила доктор Джоана Ксав’є, провідний автор дослідження. – Якщо бактерії виникли в той час, коли Земля була безкисневою, то і немає сенсу досліджувати їх походження, з огляду на види, повні адаптацій, викликаних киснем ».
Відомо, що вищі форми життя – істоти, які досягли вищого ступеня еволюції – успадковують генетичний код від батьків до нащадків за допомогою вертикального перенесення генів, тобто за підсумком геном буде надавати інформацію про філогенетичну історію. Однак бактеріям притаманний інший процес передачі генетичного матеріалу – латеральний (або горизонтальний) перенесення організму-ненащадку. Завдяки цьому бактерії здатні обмінюватися генетичною інформацією між різними штамами, але тут криється і серйозна проблема для вчених: за допомогою традиційних філогенетичних методів неможливо встановити корінь в дереві еволюції бактерій.
Щоб обійти цю перешкоду, автори нової роботи використовували біохімічні мережі разом з тисячами окремих філогенетичних дерев: вони вивчили 1 089 еталонних геномів анаеробних бактерій, що містять 2 465 582 білкових послідовностей. Потім їх згрупували в 114 326 сімейств: як виявилося, 146 родин білків мали принаймні одну послідовність, присутню у всіх 25 проаналізованих основних таксономічних групах. Таким чином, вони формували майже повну базову метаболічну мережу.
- Біологи оцінили глобальні масштаби транспорту води рослинами
- Лісові пожежі в Колумбії
- Давню морську рептилію визнали новим видом іхтіозаврів
Для завершеного розуміння біохімії LCBA треба було ще дев’ять генів: тоді реконструйована сукупність фізичних процесів, що визначають фізіологічні та біохімічні властивості клітини, включала всі основні і універсальні метаболіти. Щоб бути повністю незалежною і самогенерованою, мережі LBCA все одно будуть потрібні додаткові гени, успадковані від останнього універсального загального предка – LUCA – і поживні речовини з навколишнього середовища.
Отримавши уявлення про метаболічну мережу загального предка бактерій, біологи визначили, які з сучасних бактеріальних груп більше інших схожі на LBCA. «Аналіз показав, що найбільш рання гілка бактерій, яка розходилася, була найбільш схожа з сучасними клостридіями, за якими слідували протобактерії Deltaproteobacteria, актинобактерії деякі представники Aquifex (вид паличковидних одноклітинних бактерій довжиною від двох до шести мікрометрів і діаметром близько 0,5 мікрометра) Зазвичай ці групи мають ацетил-КоА шлях », – розповів Фернандо Тріа, один з авторів дослідження.
Як пояснили вчені, відновний ацетил-КоА шлях – єдиний спосіб фіксації вуглецю, що дозволяє організмам використовувати водень як донора електронів, а діоксид вуглецю – як акцептора і будівельний блок для біосинтезу органічних молекул. Він властивий як археям, так і бактеріям, а ще відкриває шлях до загального універсального предка всього живого.
«Ми можемо з упевненістю сказати, що LBCA, був автотрофним, глюконеогенетичним і паличкоподібним, – додає Ксав’є. – Якби він був схожий на клористідій, можливо, LBCA зміг споруліровати». Таку гіпотезу недавно запропонували інші дослідники, і вона узгоджується з новими результатами: формування неймовірно стійких спорів дозволило раннім мікроорганізмам вижити в суворих умовах молодої Землі.