От тропиков до полюсов, от поверхности моря до сотен футов под водой, Мировой океан кишит одними из самых крошечных организмов - бактериями под названием Prochlorococcus, которые, несмотря на свой маленький размер, несут коллективную ответственность за значительную часть производства кислорода в океанах. Однако удивительная способность этих миниатюрных организмов к диверсификации и адаптации к столь разительно отличающимся условиям окружающей среды оставалась загадкой.

Теперь новое исследование показало, что эти крошечные бактерии обмениваются генетической информацией друг с другом, даже находясь на большом расстоянии друг от друга, с помощью ранее не задокументированного механизма. Это позволяет им передавать целые блоки генов, например, гены, обеспечивающие способность метаболизировать определенный вид питательных веществ или защищать себя от вирусов, даже в тех регионах, где их популяция в воде относительно малочисленна.

Полученные результаты описывают новый класс генетических агентов, участвующих в горизонтальном переносе генов, при котором генетическая информация передается непосредственно между организмами - как одного, так и разных видов - с помощью средств, отличных от линейного происхождения. Исследователи назвали агентов, осуществляющих такую передачу, "тихепосонами" - это последовательности ДНК, которые могут включать несколько целых генов, а также окружающие последовательности, и могут спонтанно отделяться от окружающей ДНК. Затем они могут быть перенесены в другие организмы с помощью той или иной возможной системы переноса, включая крошечные пузырьки, известные как везикулы, которые клетки могут производить из своих собственных мембран.

Об исследовании, в ходе которого были изучены сотни геномов Prochlorococcus из различных экосистем по всему миру, а также выращенные в лаборатории образцы различных вариантов, и даже эволюционные процессы, проведенные и наблюдаемые в лаборатории, сообщается сегодня в журнале Cell в статье бывших постдоков MIT Томаса Хакля и Рафаэля Лорансо, приглашенного постдока Маркуса Анкенбранда, профессора института Сэлли "Пенни" Чисхолм и 16 других сотрудников MIT и других учреждений.

Чисхолм, которая сыграла свою роль в открытии этих вездесущих организмов в 1988 году, говорит о новых результатах: "Мы очень рады, потому что это новый агент горизонтального переноса генов для бактерий, и он объясняет многие закономерности, которые мы видим в Prochlorococcus в природе, невероятное разнообразие". Считающиеся сейчас самыми распространенными в мире фотосинтезирующими организмами, крошечные разновидности так называемых цианобактерий являются также самыми маленькими из всех фотосинтезирующих организмов.

Хакл, который сейчас работает в Гронингенском университете в Нидерландах, говорит, что работа началась с изучения 623 геномных последовательностей различных видов Prochlorococcus из разных регионов, пытаясь понять, как они смогли так легко потерять или приобрести определенные функции, несмотря на явное отсутствие каких-либо известных систем, способствующих горизонтальному переносу генов, таких как плазмиды или вирусы, известные как профаги.

Хакл, Лоренсо и Анкенбранд исследовали "островки" генетического материала, которые казались очагами изменчивости и часто содержали гены, связанные с известными ключевыми процессами выживания, такими как способность усваивать важные и часто лимитирующие питательные вещества, такие как железо, азот или фосфаты. Эти островки содержали гены, которые сильно различались у разных видов, но они всегда встречались в одних и тех же частях генома и иногда были почти идентичны даже у сильно различающихся видов - сильный показатель горизонтального переноса.

Но в геномах не было ни одной из обычных особенностей, связанных с так называемыми мобильными генетическими элементами, поэтому поначалу это оставалось загадкой. Постепенно стало очевидно, что эта система переноса генов и диверсификации отличается от нескольких других механизмов, которые наблюдались у других организмов, в том числе и у человека.

Хакл описывает то, что они обнаружили, как нечто похожее на генетический набор LEGO, с кусками ДНК, соединенными вместе таким образом, что они могут почти мгновенно наделяться способностью адаптироваться к определенной среде. Например, вид, ограниченный доступностью определенных питательных веществ, может приобрести гены, необходимые для улучшения усвоения этих питательных веществ.

Микробы используют различные механизмы для переноса этих тихепосонов (название происходит от имени греческой богини Тихе, дочери Океана). Один из них - использование мембранных везикул, маленьких пузырьков, отделяющихся от поверхности бактериальной клетки и выпускаемых с тихепосонами внутри. Другой способ - "захват" инфекций вирусов или фагов, позволяющий им переносить тихэпозоны вместе с их собственными инфекционными частицами, называемыми капсидами. По словам Хакла, это эффективные решения, "потому что в открытом океане эти клетки редко контактируют между собой, поэтому им трудно обмениваться генетической информацией без транспортного средства".

И действительно, когда были изучены капсиды или везикулы, собранные в открытом океане, оказалось, что "они действительно обогащены" этими генетическими элементами, говорит Хакл. Пакеты полезных генетических кодов "фактически плавают в этих внеклеточных частицах и потенциально могут быть поглощены другими клетками".

Чисхолм говорит, что "в мире геномики существует множество различных типов этих элементов" - последовательностей ДНК, которые могут быть перенесены из одного генома в другой. Однако "это новый тип", - говорит она. Хакл добавляет, что "это отдельное семейство мобильных генетических элементов. У него есть сходство с другими, но нет действительно тесных связей ни с одним из них".

Хотя данное исследование было посвящено только Prochlorococcus, Хакл говорит, что команда считает, что это явление может быть более общим. Они уже обнаружили подобные генетические элементы в других, не связанных между собой морских бактериях, но еще не анализировали эти образцы подробно. "Аналогичные элементы были описаны у других бактерий, и теперь мы думаем, что они могут функционировать аналогичным образом", - говорит он.

Это своего рода механизм "подключи и играй", когда у вас есть части, с которыми вы можете играть и создавать все эти различные комбинации", - говорит он. "А благодаря огромному размеру популяции Prochlorococcus, он может много играть и пробовать множество различных комбинаций".

Натан Альгрен, доцент биологии в Университете Кларка, не участвовавший в данном исследовании, говорит: "Открытие тихпозонов важно и интересно, потому что оно дает новое механистическое понимание того, как Prochlorococcus способны менять местами новые гены и, таким образом, экологически важные признаки. Тихпозоны дают новое механистическое объяснение тому, как это происходит". По его словам, "они использовали творческий подход к поиску и описанию новых генетических элементов, "прячущихся" в геномах Prochlorococcus".

Он добавляет, что геномные острова - участки генома, где были обнаружены эти тихпозоны, - "встречаются у многих бактерий, не только морских, поэтому будущая работа над тихпозонами имеет более широкое значение для нашего понимания эволюции бактериальных геномов".

В состав группы вошли исследователи из факультета гражданского и экологического строительства Массачусетского технологического института, Университета Вюрцбурга в Германии, Гавайского университета в Маноа, Университета штата Огайо, Oxford Nanopore Technologies в Калифорнии, Bigelow Laboratory for Ocean Sciences в штате Мэн и Wellesley College.