Біологи склали метаболічний портрет останнього загального бактеріального предка

Вчені відновили метаболічний портрет останнього загального бактеріального предка - групи бактерій, від якої, імовірно, пізніше відбулися всі бактерії на Землі. Стародавня бактерія була автотрофом і мала форму бацили (палички). Серед сучасних бактерій найближчим родичем предкової форми дослідники назвали клас. Результати аналізу опубліковані в.


Серед усіх клітин на Землі бактерії не тільки найпоширеніші, але й найрізноманітніші з точки зору фізіології та метаболізму. Бактерії вважаються найдавнішими клітинними істотами. Ізотопні сліди дозволяють відстежити автотрофів до 3,9 мільярда років тому. Ґрунтуючись на універсальності генетичного коду, хіральності амінокислот і загальних властивості метаболізму, вчені припускають, що колись існував останній універсальний загальний предок - популяція організмів, яка потім розділилася на археї і бактерії. У свою чергу, у всіх архей і всіх бактерій було по своєму загальному предку.


Завдяки філогенетичним реконструкціям відомо, що універсальний загальний предок був термофільним анаеробом. І філогеноміка, і геологічні дослідження вказують, що останній загальний предок архей, у свою чергу, був метаногеном (організмом, який утворює метан як побічний продукт метаболізму) або подібним йому анаеробним автотрофом. Предок архей фіксував вуглець через шлях Вуда-Льюнгдаля (відновлювальний Ацетіл-Коа шлях). Однак про загального бактеріального предка майже нічого не відомо. Швидше за все, він був анаеробом, тому що кисень з'явився пізніше за нього в земній атмосфері як продукт метаболізму ціанобактерій. Однак горизонтальне перенесення генів, яке дозволяє бактеріям обмінюватися спадковою інформацією один з одним, сильно ускладнює детальну реконструкцію образу бактеріального предка: його нащадки обмінювалися генами протягом чотирьох мільярдів років.

Команда біологів з Університету Генріха Гейне під керівництвом Вільяма Мартіна (William F. Martin) запропонувала для реконструкції предкової бактерії порівнювати метаболічні шляхи організмів.

Вчені проаналізували 5443 референсних бактеріальних геноми і вибрали ті 1089 з них, які належали анаеробним організмам. Геноми, що залишилися, кодували майже 2,5 мільйона білкових послідовностей. Ці послідовності вчені розділили на 114 тисяч сімейств, 146 з яких привернули особливу увагу дослідників: як мінімум в 90 відсотках всіх проаналізованих геномів були присутні 122 сімейства з 146. Майже половина цих генів була задіяна в обробці інформації, синтезі білка або мала інші структурні функції, інші ж відповідали як мінімум одній реакції метаболізму, представленої в кіотській енциклопедії генів і геномів.

Дані аналізу показали, що предкова бактеріальна клітина володіла майже повним метаболічним шляхом глюконеогенезу. Реакція, каталізована ферментом піруваткіназою, обратима у еукаріотів і бактерій, і швидше за все, піруваткіназа постачала клітку фосфоенолпіруватом для подальшого синтезу амінокислот і пептидогліканів. Також з бактеріальним предком пов'язали ще кілька кіназ і ферментів, задіяних у процесі ділення клітини, сортування і деградації білків.

Отриманий вченими можливий список білкових сімейств бактеріального предка склав тісно пов'язану метаболічну мережу з 243 речовин. Зі 130 можливих реакцій, тільки одна виявилася не пов'язана з іншими. Така метаболічна мережа дозволила б виробити 48 з 57 необхідних для життя прокаріотів метаболіту: 20 амінокислот, по чотири підстави ДНК і РНК, вісім універсальних кофакторів, гліцерол-3-фосфат як прекурсор жирів і 20 аміноацильованих транспортних РНК. Для повного комплекту не вистачає «заряджених» тРНК для декількох амінокислот і двох кофакторів. За допомогою комп'ютерного алгоритму вчені спочатку додали всі реакції, не кодовані геномом передбачуваного бактеріального предка, а потім прибрали всі зайві, до тих пір, поки не став можливий синтез всіх необхідних метаболітів при мінімальному наборі реакцій. Для цього знадобилося тільки дев'ять додаткових генів, і сім з них кодують аміноацил-тРНК-синтетази. Можливо, в бактеріальній предковій клітці аміноацил-тРНК-синтетази діяли дещо випадковим чином, з невисокою специфічністю приєднуючи до тРНК амінокислоти.

Отримана система не самодостатня, але і бактеріальний предок, у свою чергу, повинен був отримати певний набір генів від загального універсального предка. Метаболізм такої бактеріальної клітини заснований на трьох важливих вузлах: перетворення аденозинтрифосфату (АТФ) та аденозиндифосфату (АДФ) і відповідного енергетичного обміну; перенесення водню за допомогою НАДФ; і здійснюваної за допомогою ацилпереносного білка реакції, як важливого центру вуглецевого обміну - синтезу жирних кислот.


Також біоінформатичні аналіз дозволив дослідникам визначити найближчих сучасних родичів стародавньої бактерії. Ними виявилися бактерії класу. Це суперечить результатам деяких попередніх робіт, заснованим на методах білкової філогенії. Проведене дослідження також підтримує гіпотезу про те, що грамотрицькі бактерії сталися від грамполоджувальних.

Відновлення картини метаболізму за геномами допомагає вченим не тільки реконструювати портрети одноклітинних організмів, але і вивчати сучасні, але не піддаються культивуванню в лабораторних умовах бактерії. Так, секвенування дозволило біологам описати незвичайне мікробне співтовариство, що мешкає на дні солоного озера.

COM_SPPAGEBUILDER_NO_ITEMS_FOUND