Генетика температурной адаптации: как жизнь процветает в экстремальных условиях?

Способность жизни адаптироваться к переменным условиям — одна из её определяющих характеристик. Поскольку вся жизнь основана на химических реакциях, чувствительных к температуре, особенно интересна её адаптация к разным температурам — от антарктического ледника до краёв подводных вулканов.

Исследовательская группа под руководством Паулы Прондзински и Шона Эрина Макглинна из Института наук о Земле и жизни (ELSI) Токийского технологического института изучила эту загадку на примере метаногенов.

Метаногены — это продуцирующие метан одноклеточные микроорганизмы из домена Archaea. Как единая физиологическая группа, они могут процветать в широком диапазоне температур: от -2.5°C до 122°C, что делает их идеальными кандидатами для изучения температурной адаптации.

Методология исследования

Учёные проанализировали и сравнили геномы различных видов метаногенов, разделив их на три группы:

  • Термотолерантные (высокие температуры)
  • Психротолерантные (низкие температуры)
  • Мезофильные (комнатные температуры)

Была создана база данных из 255 геномов и белковых последовательностей, связанная с температурой роста для 86 метаногенов из лабораторных коллекций.

С помощью программного обеспечения OrthoFinder были установлены ортогруппы (наборы генов, происходящих от одного гена у общего предка). Их разделили на:

  1. Ядерные (присутствуют у >95% видов)
  2. Общие (присутствуют как минимум у двух видов, но <95% организмов)
  3. Уникальные (присутствуют только у одного вида)

Ключевые результаты

  • Около трети генома метаногенов является общей для всех видов.
  • Термотолерантные организмы имеют меньшие геномы и более высокую долю ядерного генома. Эти небольшие геномы оказались эволюционно более «древними», чем геномы психротолерантных организмов.
  • Поскольку термотолерантные организмы найдены в нескольких группах, это указывает, что размер генома больше зависит от температуры, чем от эволюционной истории.
  • Результаты также предполагают, что по мере эволюции геномы метаногенов росли, а не сокращались. Это ставит под сомнение идею терморедуктивной эволюции генома (удаления генов при адаптации к более высоким температурам).

Адаптация на уровне белков

Анализ показал, что метаногены растут в широком температурном диапазоне без множества специальных белков — большинство кодируемых белков у них схожи.

Изучение состава аминокислот (строительных блоков белков) выявило различия между температурными группами по:

Эти факторы влияют на структуру и функцию белка.

  • Термотолерантные метаногены имеют больше заряженных аминокислот и функциональных генов для транспорта ионов, которых нет у психротолерантов.
  • Психротолерантные организмы обогащены незаряженными аминокислотами и белками, связанными с клеточной структурой и подвижностью.

Исследователям не удалось определить конкретные функции, общие для всех членов одной температурной группы. Это говорит о том, что температурная адаптация — постепенный процесс, происходящий небольшими шагами, а не требующий масштабных изменений.

Значение исследования

«Это указывает, что самые первые метаногены, которые эволюционировали в то время, когда условия на Земле были враждебны для жизни, могли быть похожи на организмы, которых мы находим на современной Земле», — объясняет Паула Прондзински.

Полученные данные могут указывать на черты и функции, присутствовавшие у древнейших микробов, и даже содержать подсказки о том, возникла ли микробная жизнь в горячих или холодных средах. Эти знания можно расширить, чтобы понять, как жизнь может адаптироваться к другим видам экстремальных условий, и раскрыть, как могла бы эволюционировать жизнь на других планетах.