Бактерии перерабатывают сломанную ДНК
Бактерии могут поглощать как мелкие, так и крупные фрагменты старой ДНК из окружающей среды и включать их в собственный геном. Это открытие может иметь серьёзные последствия — как в связи с устойчивостью к антибиотикам в больницах, так и для нашего понимания эволюции жизни.
Окружающая среда содержит большое количество сильно фрагментированной и повреждённой ДНК, которая постепенно деградирует. Некоторые фрагменты могут быть возрастом в тысячи лет. Лабораторные эксперименты с микробами и различными типами ДНК показали, что бактерии поглощают из среды очень короткие и повреждённые фрагменты ДНК и пассивно интегрируют их в свой собственный геном. Более того, этот механизм также сработал при поглощении современной бактерией 43 000-летней ДНК мамонта. Результаты опубликованы в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Открытие этого вторичного использования старой или фрагментированной ДНК может иметь серьёзные последствия в будущем. Постдок Сёрен Овербалле-Петерсен из Центра геогенетики Музея естественной истории Дании, первый автор статьи, комментирует:
До сих пор считалось, что короткие фрагменты ДНК биологически неактивны. Теперь мы показали, что это предположение было ошибочным. Пока остаётся хоть крошечное количество ДНК, существует вероятность, что бактерии могут использовать её повторно.
Одно из следствий этого касается больниц, где существуют постоянные проблемы с антибиотикорезистентностью.
В некоторых случаях им придётся задуматься о том, как устранять остатки ДНК. До сих пор внимание было сосредоточено на уничтожении живых патогенных бактерий, но этого уже недостаточно в случаях, когда другие бактерии впоследствии могут использовать фрагменты ДНК, содержащие гены устойчивости к антибиотикам.
Результаты исследования показывают, что огромный резервуар фрагментированной и повреждённой ДНК в окружающей среде сохраняет потенциал для изменения геномов бактерий даже спустя тысячи лет. Это первый описанный процесс, который позволяет клеткам приобретать генетические последовательности из далёкого прошлого. Учёные называют это явление Анахронистической Эволюцией — или Эволюцией из вторых рук.
Профессор Эске Виллерслев, руководитель проекта, говорит:
То, что ДНК из мёртвых организмов движет эволюцией живых клеток, противоречит общепринятым представлениям о том, что движет эволюцией жизни как таковой.
Кроме того, старая ДНК не только может возвращать микробов к прежним состояниям. Повреждённая ДНК также может создавать новые комбинации уже функциональных последовательностей.
Это открытие имеет ряд последствий, отчасти потому, что существует потенциальный риск для людей, когда патогенные или полирезистентные бактерии обмениваются мелкими фрагментами «опасной» ДНК, например, в больницах, в биологических отходах и в сточных водах.
В глобальной перспективе поглощение бактериями короткой ДНК представляет собой фундаментальный эволюционный процесс, для которого нужна только растущая клетка, потребляющая фрагменты ДНК. Возможно, это своего рода изначальный тип переноса генов или обмена ДНК между бактериями.
Компьютерное моделирование показало, что даже ранние бактерии на Земле могли обмениваться ДНК, но было непонятно, как это могло происходить. Теперь мы предлагаем объяснение, как первые бактерии обменивались ДНК. Это даже не механизм, развитый специально для этой цели, а, скорее, общий процесс, являющийся следствием жизни и смерти.