Модель помогает определить гены цианобактерий, захватывающие солнечную энергию

Новая компьютерная модель сине-зеленых водорослей (цианобактерий) может предсказать, какие гены организма являются ключевыми для захвата энергии солнечного света и других критических процессов.

Модель, описанная в журнале Molecular BioSystems, может ускорить разработку методов получения биотоплива и других источников энергии из цианобактерий. Её создали исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США, Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Университета Пердью для одноклеточной морской цианобактерии Cyanothece 51142.

Это первая комплексная модель такого рода для цианобактерий, которая рассматривает организм в целом, в отличие от предыдущих, фокусировавшихся на отдельных аспектах.

Работа днем и ночью

Cyanothece уникальна тем, что один и тот же клетка переключается между фотосинтезом и фиксацией азота каждые 12 часов: днем производит сахара, а ночью расщепляет их для фиксации азота.

Карта функций генов

После секвенирования генома Cyanothece в 2008 году ученые изучали, когда и какие гены экспрессируются в течение 24-часового цикла. Анализ показал, что многие гены, экспрессирующиеся на схожих уровнях и в схожее время, вероятно, участвуют в одних и тех же процессах.

Для понимания сложных взаимосвязей была создана круговая диаграмма, показывающая, как экспрессия генов связана во времени. Линии, соединяющие точки (гены), демонстрировали последовательную экспрессию связанных генов.

Точки контроля

Сеть генов Cyanothece оказалась сложной и переплетенной. В некоторых случаях разные цепочки связанных генов сходились в одной точке — на отдельном гене или небольшой группе генов. Эти гены в "перекрестках" были идентифицированы как узкие места, или контрольные точки, для последующей экспрессии других генов. Удивительно, что для 11 из 25 главных контрольных точек конкретная роль в Cyanothece ранее не была известна.

Ключевые игроки

Чтобы предсказать роль этих генов, команда адаптировала существующий подход к моделированию целого организма — Inferelator. Код был изменен для учета циклической природы связей между генами Cyanothece. В условиях низкого содержания кислорода (аналогичных ночным) модель правильно предсказывала уровни экспрессии генов примерно в 75% случаев по сравнению с фактическими измерениями.

Модель предсказала функции нескольких генов-контрольных точек:

• Ген patB был определен как узкое место для производства нитрогеназы — фермента, необходимого для фиксации азота. Его удаление, согласно модели, может снизить производство нитрогеназы на 80%.
• Неименованный ген cce_0678 был идентифицирован как ключевой для производства фермента RuBisCO, важного для фотосинтеза. Без него производство RuBisCO могло бы упасть на 60%.

Следующим шагом будет экспериментальная проверка предсказаний модели в лаборатории путем удаления или увеличения экспрессии конкретных генов. Модель также планируется использовать для изучения сложного взаимодействия между важными процессами у цианобактерий, такими как фотосинтез и фиксация азота. Эта модель — первый шаг к полной симуляции Cyanothece, что в перспективе может помочь в проектировании эффективных методов получения биоэнергии и управления углеродным циклом.