Ewolucja drobnoustrojów pomaga zrozumieć historię powstania życia
Mikroorganizmy odgrywają główną rolę w funkcjonowaniu ekosystemów i utrzymaniu zdrowia ludzi. Ich długotrwała ewolucja zapewniła im doskonałe warunki do rozwoju. Ogromny postęp w dziedzinie sekwencjonowania zapewnia obecnie bogactwo danych na temat różnorodności życia drobnoustrojów, zapewniając wgląd w ich funkcjonowanie i ewolucję. „Najważniejsze pytanie dotyczy tego, w jaki sposób wytwarzają i oszczędzają one energię”, wyjaśnia Filipa Sousa(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z Uniwersytetu Wiedeńskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka projektu EvolPhysiol. „Komputery są zasilane energią elektryczną, a w organizmach żywych tę rolę pełni ATP (adenozynotrójfosforan, który jest podstawową cząsteczkę przenoszącą energię w komórkach)”. Ludzkie komórki wytwarzają ATP przy udziale tlenu. Niektóre mikroorganizmy wykształciły jednak mechanizmy wytwarzania ATP nie tylko z tlenu, ale także z innych źródeł, takich jak siarka i azot.
Zajrzeć do wnętrza drobnoustrojów
W ramach projektu EvolPhysiol, wspieranego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), przeprowadzono badanie dotyczące tego, w jaki sposób mikroorganizmy nauczyły się wytwarzać ATP i jak ten mechanizm ewoluował w czasie. Prace koncentrowały się głównie na archeonach i bakteriach – dwóch grupach mikroorganizmów jednokomórkowych, które są wszędobylskie. „Naszym głównym celem było uzyskanie szczegółowej wiedzy na temat tych drobnoustrojów”, mówi Sousa. „Chcieliśmy zrozumieć obecną różnorodność drobnoustrojów na świecie, a następnie cofnąć się w czasie”. Zespół projektu czerpał z faktu, iż biologia jest wysoce modularna. „Na różnych poziomach życie często składa się z pojedynczych elementów, podobnie do klocków Lego”, dodaje Sousa. „Przykładem są białka, które mogą być przeorganizowane w celu zbudowania różnych rzeczy. Pozwala to na wykształcenie się różnych funkcji i przetwarzanie przez organizmy różnych związków”. Zespół projektu „zajrzał” również do wnętrza białek, aby zidentyfikować kofaktory, które są nierzadko ponownie wykorzystywane przez organizmy. „Dzięki temu kiedy ewoluują, nie muszą tworzyć wszystkiego od podstaw”, wyjaśnia Sousa.
Duże genomowe bazy danych i sekwencje
Prace objęły tysiące genomów. Uczeni przejrzeli ogromne bazy danych genomicznych pod kątem jakości, a ponadto porównali sekwencje w celu znalezienia białek. „Największą frajdę sprawiła nam próba zrozumienia tych wszystkich danych, biorąc pod uwagę uwarunkowania biologiczne i geologiczne”, mówi Sousa. Prace te przyniosły bardzo nieoczekiwane wyniki, na przykład w odniesieniu do obiegu siarki. Standardowy konsensus był taki, że archeony z rodzaju Archaeoglobus musiały otrzymać tę funkcję od bakterii. „Odkryliśmy, że kluczowy enzym zaangażowany w obieg siarki prawdopodobnie pochodzi od bakterii, natomiast reszta szlaku była wynikiem synonimicznej wymiany (zmiany sekwencji DNA, w której wytwarzana sekwencja aminokwasów nie jest modyfikowana)”, zauważa Sousa.
Identyfikacja nowych zastosowań biotechnologicznych
Ogromna ilość wygenerowanych danych sprawiła, że zespół nie był w stanie przejrzeć ich wszystkich, a prace nad kilkoma aspektami projektu, na przykład nad różnorodnością drobnoustrojów, nadal trwają. „Dalsze badania nad ewolucją tych elementów budulcowych wyznaczają kierunek, w którym chcę podążać”, zaznacza Sousa. „Myślę, że pragnienie dowiedzenia się, skąd pochodzimy, wynika z naszej ludzkiej natury”. Sousa wskazuje, że Ziemia, której wiek szacuje się na około 4,5 miliarda lat, była niegdyś zamieszkiwana wyłącznie przez archeony. Szczegóły dotyczące tego, w jaki sposób te drobnoustroje koewoluowały ze środowiskiem, mogą nam wiele powiedzieć na temat naszej odległej przeszłości, a być może przynieść też szereg korzyści na przyszłość dzięki znalezieniu nowych zastosowań biotechnologicznych. „Im więcej o nich wiemy, tym lepiej możemy je wykorzystać na naszą korzyść”, dodaje.
