Создана первая в своём роде генная карта сульфатредуцирующей бактерии
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США раскрыли ключевые генетические секреты бактерии, обладающей потенциалом для удаления токсичных и радиоактивных отходов из окружающей среды. Учёные представили первую в истории карту генов, которые определяют, как эти бактерии взаимодействуют с окружающей средой.
"Знание того, как бактерии реагируют на изменения окружающей среды, крайне важно для понимания того, как их физиология связана с последствиями — как хорошими, например, биоремедиацией, так и плохими, например, биообрастанием", — говорит Айндрила Мукхопадхьяй, химик из Отдела физических биологических наук Berkeley Lab.
Исследователи провели первое систематическое картирование генов в сульфатредуцирующей бактерии Desulfovibrio vulgaris, которые регулируют механизмы восприятия и реакции бактерии на сигналы окружающей среды.
Desulfovibrio vulgaris — анаэробная бактерия, присутствующая во многих экологических нишах и служащая модельным организмом для изучения сульфатредуцирующих бактерий. Микроб привлекает внимание — как положительное, так и отрицательное — своей уникальной способностью метаболизировать металлы:
- Положительная сторона: D. vulgaris может продуцировать ферменты, восстанавливающие токсичные тяжёлые металлы и радиоактивные нуклиды до неопасных форм.
- Отрицательная сторона: бактерия печально известна как вредитель, вызывающий коррозию металлов, используемых в нефтедобыче и хранении.
Несмотря на более чем 70 лет изучения, ни одна из примерно 70 известных молекулярных сигнальных систем D. vulgaris не была охарактеризована.
Метод исследования
Бактерии обрабатывают сигналы на молекулярном уровне с помощью двухкомпонентной системы: один белок (гистидинкиназа) воспринимает сигнал среды и передаёт его второму белку (регулятору ответа), который контролирует реакцию.
Проблема в том, что эти системы активируются только при наличии специфического сигнала, который обычно неизвестен. Чтобы обойти это препятствие, учёные использовали геномный подход in vitro, не требующий знания условий активации сигнала.
Они применили разработанную ими стратегию "ДНК-аффинной очистки на чипе" (DAP-chip). В этом методе очищенные белки-регуляторы ответа инкубируют с геномной ДНК, чтобы выделить участки ДНК, которые с ними связываются. Это первое масштабное использование метода для картирования всех сайтов связывания регуляторов ответа двухкомпонентных систем бактерии в одном исследовании.
Результаты и значение
С помощью новой генной карты исследователи уже предсказали функции нескольких регуляторов ответа в D. vulgaris, включая ключевые процессы метаболизма углерода, азота и энергии, подвижности клеток и формирования биоплёнок. Они также предсказали реакции на стрессы, такие как нитрит, низкий уровень калия и дефицит фосфата.
"Для нескольких регуляторов ответа мы предсказали и экспериментально подтвердили мотивы сайтов связывания, большинство из которых были обнаружены в рамках этого исследования", — отмечает Мукхопадхьяй.
Эта карта в будущем поможет направлять разработку методов биоремедиации, которые не усугубляют существующие проблемы, а также полевые практики для достижения желаемых результатов.
Стратегия DAP-chip может быть использована для создания аналогичных генетических карт для любого микроорганизма, чей геном секвенирован. Такие карты будут играть важную роль в будущих очистках самых разных загрязнённых сред.