Новый биоинформатический метод раскрывает скрытых «разрушителей» древесины и листьев
Когда дерево умирает, оно становится основой для новой жизни: в медленном, невидимом процессе листья, древесина и корни постепенно разлагаются — не ветром или погодой, а миллионами и миллионами крошечных организмов.
Учёные разработали новый биоинформатический метод, чтобы выяснить, какие именно организмы и с помощью каких молекулярных инструментов выполняют эту задачу в глобальном углеродном цикле. Метод представлен в журнале Molecular Biology and Evolution.
Метод fDOG: поиск ортологов с учётом архитектуры белков
Метод называется fDOG (Feature architecture-aware directed ortholog search). Он позволяет искать в генетическом материале различных организмов гены, произошедшие от одного предкового гена — ортологи. Предполагается, что такие гены кодируют белки со сходными функциями.
В отличие от предыдущих методов, fDOG не только просеивает огромные массивы геномной информации, но и анализирует архитектуру найденных белков — их структурный состав, который многое говорит о функции фермента.
«Мы начинаем с гена одного вида, называемого "семенем", а затем прочёсываем десятки тысяч видов в поисках ортологичных генов, — объясняет Инго Эберсбергер, профессор прикладной биоинформатики Франкфуртского университета имени Гёте. — При этом мы постоянно отслеживаем, отличаются ли найденные гены от "семени" по функции и структуре, например, из-за потери или приобретения отдельных функционально важных областей».
Масштабное исследование: 18 000 видов
Исследовательская группа использовала этот метод для поиска более чем 200 потенциальных кандидатов в ферменты, разлагающие клеточные стенки растений (PCDs), среди более 18 000 видов из всех трёх доменов жизни: бактерий, архей и эукариот (растения, животные, грибы). Результатом стала детальная глобальная карта — с беспрецедентной точностью — ферментов, способных разрушать растительные клеточные стенки.
Неожиданные открытия среди грибов и животных
Анализ больших данных с помощью специальных методов визуализации выявил характерные изменения в ферментном репертуаре грибов. Эти изменения указывают на смену образа жизни некоторых видов грибов: от сапротрофного (разложение мёртвых растений) к паразитическому (заражение живых животных). Такие эволюционные переходы отражаются в характерных паттернах потери ферментов.
Особый сюрприз в царстве животных — обнаружение у некоторых членистоногих неожиданно широкого спектра ферментов, разлагающих клеточные стенки растений. Вероятно, эти ферменты произошли от грибов и бактерий и попали в геном беспозвоночных через горизонтальный перенос генов. Это позволяет предположить, что такие животные могут самостоятельно разлагать растительный материал и не зависят полностью от бактерий в своём кишечнике, как считалось ранее.
В другом случае анализ показал, что потенциальные гены PCD в исследуемой последовательности могли быть результатом микробного загрязнения образца — важное указание на необходимость тщательной проверки подобных данных.
Новый взгляд на глобальный углеродный цикл
Исследование демонстрирует, как fDOG можно использовать для систематического картирования биологических возможностей по всему древу жизни — от широкомасштабных обзоров до детального изучения отдельных видов. Метод позволяет отслеживать эволюционные траектории и выявлять ранее упущенных из виду участников глобального углеродного цикла.
Поскольку почвы содержат огромное количество мёртвого растительного материала и являются крупнейшим наземным резервуаром углерода, его разложение — ключевой драйвер углеродного цикла.
«Наш метод даёт нам свежий взгляд на то, как метаболические способности распределены по древу жизни, — говорит Эберсбергер. — Теперь мы можем проводить многоуровневые анализы и в процессе обнаруживать как недавние эволюционные изменения, так и крупномасштабные закономерности».