Новая модель раскрывает адаптации самого распространённого океанского микроба
Исследователи из лаборатории Дэвида Карла в Гавайском университете в Маноа и из лаборатории профессора Йенса Нильсона в Технологическом университете Чалмерса создали компьютерную модель, учитывающую сотни генов, химических реакций и соединений, необходимых для выживания Prochlorococcus — самого распространённого фотосинтезирующего микроба на планете. Они обнаружили, что Prochlorococcus внёс масштабные изменения в свой метаболизм, чтобы снизить зависимость от фосфора — элемента, важного и часто лимитирующего рост в океане.
Новая метаболическая модель представляет собой окно во внутренние процессы, позволяющие микробам доминировать в химических и биологических циклах Земли.
Микробы используют три основные стратегии конкуренции за лимитирующие ресурсы: регулирование клеточных квот, синтез молекул для более эффективного использования ресурсов и доступ к альтернативным или более затратным источникам питательных веществ.
В случае с фосфором, лимитирующим ресурсом в обширных океанских регионах, космополит Prochlorococcus процветает, используя все три стратегии и четвёртую, ранее неизвестную.
«Создав первую детальную модель метаболизма для экологически важного морского микроба, мы обнаружили, что Prochlorococcus эволюционировал, чтобы снизить зависимость от фосфата, минимизируя количество ферментов, участвующих в превращениях фосфата, тем самым снижая внутриклеточные потребности», — сказал Джон Кейси, ведущий автор исследования.
Prochlorococcus обладает крайне минимальным геномом. Учёные с удивлением обнаружили, что этот самый распространённый микроб провёл полномасштабный редизайн основных метаболических путей в ответ на постоянное ограничение фосфора через процесс «уплотнения генома» — согласованную потерю нефункциональных генов в ходе эволюции.
«Это драматическое и повсеместное изменение метаболической сети — настоящий шок. Однако мы видим, что эти изменения дают существенное преимущество в росте этому микробу в бедных фосфором регионах океана», — отметил Кейси.
Модель построена на основе обширной библиотеки генетических данных и проверена данными лабораторных экспериментов и полевых исследований.
В будущем исследователи планируют расширить модель, включив в неё больше представителей морского микробного сообщества, и глубже изучить микробиоразнообразие внутри рода Prochlorococcus.
«Это позволит нам моделировать метаболизм морского микробного сообщества с беспрецедентной детализацией. Встраивание этих детальных симуляций в глобальные модели циркуляции океана позволит понять, как микробные сообщества взаимодействуют с окружающей средой и между собой», — заключил Кейси.