История Земли - это история физических крайностей: экстремальных атмосферных условий, экстремальных химических сред и экстремальных температур. Было время, когда Земля была настолько горячей, что вся вода была паром, и первый дождь выпал только тогда, когда планета достаточно остыла. Вскоре после этого возникла жизнь, и через все это жизнь нашла путь.

Сегодня жизнь есть почти везде на Земле, куда мы заглядывали; трудно найти места, где жизни нет. Удивительная способность жизни адаптироваться к изменяющимся условиям является одной из ее определяющих характеристик. Среди множества приспособлений, способность жизни адаптироваться к меняющимся температурам является одной из самых интересных. Все живое основано на химических реакциях, которые по своей природе чувствительны к температуре. И все же жизнь существует в широком спектре температур - от антарктического ледяного шельфа до краев подводных вулканов. В связи с этим возникает вопрос, как жизнь приспосабливается к различным температурам?

Чтобы попытаться разгадать эту загадку, исследовательская группа под руководством Полы Прондзински и Шона Эрина МакГлинна из Института наук о жизни на Земле (ELSI) при Токийском технологическом институте недавно изучила группу организмов, называемых метаногенами.

Метаногены - это одноклеточные микроорганизмы, вырабатывающие метан, которые относятся к более крупной области "архей" (древние одноклеточные организмы, не имеющие клеточного ядра, которые, как считается, были предшественниками эукариотических клеток). Как единая физиологическая группа, метаногены могут процветать в диапазоне экстремальных температур, от -2,5 до 122 градусов С, что делает их идеальными кандидатами для изучения температурной адаптации.

В данной работе исследователи проанализировали и сравнили геномы различных видов метаногенов. Они разделили метаногены на три группы в зависимости от температуры, при которой они процветают - термотолерантные (высокие температуры), психротолерантные (низкие температуры) и мезофильные (температура окружающей среды). Затем они создали базу данных 255 геномов и белковых последовательностей из ресурса под названием Genome Taxonomy Database. Затем они получили данные о температуре для 86 метаногенов, которые находятся в лабораторных коллекциях, из базы данных по температурам роста обычных и редких прокариот. В результате была создана база данных, которая связывала содержание генома с температурой роста.

После этого исследователи использовали программное обеспечение OrthoFinder для определения различных ортогрупп - наборов генов, происходящих от одного гена, присутствующего у последнего общего предка рассматриваемых видов. Затем они разделили эти ортогруппы на 1) основные (присутствующие более чем у 95% видов), 2) общие (присутствующие как минимум у двух видов, но менее чем у 95% организмов) и 3) уникальные (присутствующие только у одного вида). Их анализ показал, что около трети метаогенного генома является общим для всех видов. Они также обнаружили, что количество общих генов между видами уменьшается с увеличением эволюционного расстояния.

Интересно, что исследователи обнаружили, что термотолерантные организмы имеют меньшие геномы и большую долю ядрового генома. Эти маленькие геномы также оказались более эволюционно "древними", чем геномы психотолерантных организмов. Поскольку термотолерантные организмы были обнаружены в нескольких группах, эти результаты указывают на то, что размер генома больше зависит от температуры, чем от эволюционной истории. Они также свидетельствуют о том, что по мере эволюции геномы метаногенов росли, а не сокращались, что опровергает идею терморедуктивной эволюции генома, т.е. о том, что организмы удаляют гены из своих геномов по мере эволюции в места с более высокой температурой.

Проведенный исследователями анализ также показал, что метаногены растут в таком широком диапазоне температур без множества специальных белков. Более того, большинство белков, кодируемых их геномами, были схожи. Это заставило их рассмотреть возможность клеточной регуляции или более тонких композиционных адаптаций в качестве первопричины температурной адаптации. Чтобы выяснить это, они изучили состав аминокислот - строительных блоков белков - в метаногенах.

Они обнаружили, что определенные аминокислоты были обогащены в определенных температурных группах. Они также обнаружили композиционные различия в аминокислотах, касающиеся их протеомного заряда, полярности и энтропии разворачивания - все это влияет на структуру белка и, следовательно, на его способность функционировать. В целом, они обнаружили, что термотолерантные метаногены имеют больше заряженных аминокислот и функциональных генов для транспорта ионов, которых нет у психотолерантных организмов. В то время как организмы-психотолеранты обогащены незаряженными аминокислотами и белками, связанными с клеточной структурой и подвижностью. Однако исследователи не смогли выделить конкретные функции, общие для всех членов температурной группы, что позволяет предположить, что температурная адаптация - это постепенный процесс, который происходит мелкими шагами, а не требует масштабных изменений.

В целом, "Это указывает на то, что самые первые метаногены, которые развивались в то время, когда условия на Земле были враждебны для жизни, могли быть похожи на организмы, которые мы находим на современной Земле", - объясняет Пола Прондзински. "Наши результаты могут указывать на черты и функции, присутствовавшие у самых ранних микробов, и даже дать подсказку, где зародилась микробная жизнь - в жаркой или холодной среде. Мы можем расширить эти знания, чтобы понять, как жизнь может адаптироваться к другим видам экстремальных условий, а не только к температуре, и даже разгадать, как могла развиваться жизнь на других планетах".