Historia Ziemi była jedną z fizycznych ekstremów – ekstremalnych warunków atmosferycznych, ekstremalnych środowisk chemicznych i ekstremalnych temperatur. Był czas, kiedy Ziemia była tak gorąca, że ​​cała woda była parą, a pierwszy deszcz spadł dopiero wtedy, gdy planeta wystarczająco się ochłodziła.

Wkrótce potem pojawiło się życie i przez to wszystko życie znalazło sposób. Obecnie życie można znaleźć prawie wszędzie na Ziemi, gdzie spojrzeliśmy; trudno jest znaleźć miejsca, w których życie nie istnieje. Niezwykła zdolność życia do przystosowania się do zmiennych warunków jest jedną z jego charakterystycznych cech. Spośród wielu adaptacji, zdolność życia do przystosowania się do różnych temperatur jest jedną z najbardziej interesujących.

Całe życie opiera się na reakcjach chemicznych, które z natury są wrażliwe na temperaturę. A jednak życie istnieje w całym spektrum temperatur, od szelfu lodowego Antarktydy po krawędzie podmorskich wulkanów. To nasuwa pytanie, w jaki sposób życie dostosowuje się do różnych temperatur? Aby spróbować rozwikłać to pytanie, zespół badawczy kierowany przez Paulę Prondzinsky i Shawna Erin McGlynn z Earth-Life Science Institute (ELSI) w Tokyo Institute of Technology zbadał niedawno grupę organizmów zwanych metanogenami.

Pole widzenia 100×100 mikrometrów skupiska mikroorganizmów wytwarzających metan CREDIT Paula Prondzinsky

Metanogeny to wytwarzające metan, jednokomórkowe mikroorganizmy należące do większej domeny „Archaea” (starożytne, jednokomórkowe organizmy, które nie mają jąder komórkowych i uważa się, że były poprzednikami komórek eukariotycznych). Jako pojedyncza grupa fizjologiczna, metanogeny mogą rozwijać się w skrajnych temperaturach, od -2,5 oC do 122 oC, co czyni je idealnymi kandydatami do badania adaptacji do temperatury.

W ramach tej pracy naukowcy przeanalizowali i porównali genomy różnych gatunków metanogenów. Podzielili metanogeny na trzy grupy w zależności od temperatur, w jakich się rozwijały – termotolerancyjne (wysokie temperatury), psychotolerancyjne (niskie temperatury) i mezofilne (temperatury otoczenia).

Następnie skonstruowali bazę danych zawierającą 255 genomów i sekwencji białek z zasobu zwanego Genome Taxonomy Database. Następnie uzyskali dane temperaturowe dla 86 metanogenów znajdujących się w zbiorach laboratoryjnych z Bazy Danych Temperatur Wzrostu Prokariontów Zwykłych i Rzadkich. W rezultacie powstała baza danych, która powiązała zawartość genomu z temperaturą wzrostu.

Najbardziej odporne na ciepło metanogeny znaleziono w głębinowym kominie hydrotermalnym KREDYT NOAA

Następnie naukowcy wykorzystali oprogramowanie o nazwie OrthoFinder do ustalenia różnych ortogrup – zestawów genów pochodzących od pojedynczego genu obecnego u ostatniego wspólnego przodka rozważanego gatunku. Następnie podzielili te ortogrupy na i) rdzeniowe (obecne w ponad 95% gatunków), ii) wspólne (obecne w co najmniej dwóch gatunkach, ale w mniej niż 95% organizmów) oraz iii) unikalne (obecne tylko w pojedynczy gatunek). Ich analizy ujawniły, że około jedna trzecia genomu metaogennego jest wspólna dla wszystkich gatunków. Odkryli również, że liczba wspólnych genów między gatunkami zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości ewolucyjnej.

Co ciekawe, naukowcy odkryli, że organizmy termotolerancyjne miały mniejsze genomy i większą część genomu rdzenia. Stwierdzono również, że te małe genomy są bardziej „starożytne” ewolucyjnie niż genomy organizmów psychrotolerancyjnych. Ponieważ organizmy tolerujące ciepło znaleziono w wielu grupach, odkrycia te wskazują, że rozmiar genomu jest bardziej zależny od temperatury niż od historii ewolucji.

Sugerują również, że w miarę ewolucji genomów metanogenu raczej rosły niż kurczyły się, co podważa ideę „termodukcyjnej ewolucji genomu”, tj. że organizmy usuwają geny ze swoich genomów, gdy ewoluują w miejsca o wyższej temperaturze.

Analizy naukowców wykazały również, że metanogeny rosną w tak szerokim zakresie temperatur bez wielu specjalnych białek. W rzeczywistości większość białek kodowanych przez ich genomy była podobna. To skłoniło ich do rozważenia możliwości regulacji komórkowej lub adaptacji składu na mniejszą skalę jako pierwotnej przyczyny adaptacji do temperatury. Aby to zbadać, przyjrzeli się składowi aminokwasów – budulców białek – w metanogenach.

Odkryli, że określone aminokwasy zostały wzbogacone w określonych grupach temperaturowych. Odkryli również różnice w składzie aminokwasów związane z ładunkiem proteomu, polaryzacją i rozwijającą się entropią – z których wszystkie wpływają na strukturę białka, a tym samym na jego zdolność do funkcjonowania. Ogólnie rzecz biorąc, odkryli, że termotolerancyjne metanogeny mają więcej naładowanych aminokwasów i funkcjonalnych genów transportu jonów, których nie ma w psychotolerantach.

Podczas gdy organizmy psychrotolerancyjne są wzbogacone w nienaładowane aminokwasy i białka związane ze strukturą i ruchliwością komórkową. Jednak naukowcy nie byli w stanie wskazać konkretnych funkcji wspólnych dla wszystkich członków grupy temperaturowej, co sugeruje, że adaptacja do temperatury jest procesem stopniowym, zachodzącym małymi krokami, a nie wymagającym zmian na dużą skalę.

W sumie „wskazuje to, że pierwsze metanogeny, które wyewoluowały w czasie, gdy warunki na Ziemi były wrogie życiu, mogły być podobne do organizmów, które spotykamy na dzisiejszej Ziemi” – wyjaśnia Paula Prondzinsky. „Nasze odkrycia mogą wskazywać na cechy i funkcje obecne w najwcześniejszych drobnoustrojach, a nawet zawierać wskazówki co do tego, czy życie drobnoustrojów powstało w gorącym, czy zimnym środowisku. Moglibyśmy rozszerzyć tę wiedzę, aby zrozumieć, w jaki sposób życie może przystosować się do innych rodzajów ekstremalnych warunków, nie tylko temperatury, a nawet odkryć, w jaki sposób mogło ewoluować życie na innych planetach”.

Odniesienie:

Paula Prondzinsky1,2,Sakae Toyoda2, Shawn Erin McGlynn1,3,4Rdzeń metanogenu i pangenom: konserwacja i zmienność w ekstremalnych temperaturach wzrostu biologii, Badania DNA, DOI: 10.1093/dnares/dsac048

Earth-Life Science Institute, Tokyo Institute of Technology, 2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, 152-8550 Tokio, Japonia

Department of Chemical Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology, 4259 Nagatsuta-cho, Midori-ku, 226-8503 Jokohama, Japonia

Center for Sustainable Resource Science, RIKEN, 2-1 Hirosawa, Wako, 351-0198 Saitama, Japonia

Blue Marble Space Institute of Science, Seattle, WA 98154, USA

Więcej informacji

Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) stoi na czele badań i szkolnictwa wyższego jako wiodący uniwersytet naukowy i technologiczny w Japonii. Naukowcy z Tokyo Tech wyróżniają się w różnych dziedzinach, od materiałoznawstwa po biologię, informatykę i fizykę. Założona w 1881 roku firma Tokyo Tech gości rocznie ponad 10 000 studentów studiów licencjackich i magisterskich, którzy stają się liderami naukowymi i jednymi z najbardziej poszukiwanych inżynierów w przemyśle. Ucieleśniając japońską filozofię „monotsukuri”, oznaczającą „techniczną pomysłowość i innowację”, społeczność Tokyo Tech stara się wnosić wkład w społeczeństwo poprzez badania o dużym wpływie.

Earth-Life Science Institute (ELSI) jest jednym z ambitnych japońskich ośrodków badawczych o światowej premierze, którego celem jest osiąganie postępów w szeroko pojętych interdyscyplinarnych obszarach naukowych poprzez inspirowanie największych światowych umysłów do przyjazdu do Japonii i współpracy nad najbardziej wymagającymi badaniami naukowymi problemy. Głównym celem ELSI jest zajęcie się pochodzeniem i współewolucją Ziemi i życia.

Inicjatywa World Premier International Research Centre Initiative (WPI) została uruchomiona w 2007 r. przez Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT), aby pomóc w budowie widocznych na całym świecie ośrodków badawczych w Japonii. Instytuty te promują wysokie standardy badawcze i wyjątkowe środowiska badawcze, które przyciągają czołowych badaczy z całego świata. Ośrodki te są wysoce autonomiczne, co pozwala im zrewolucjonizować konwencjonalne sposoby prowadzenia badań i administracji w Japonii.

Rdzeń metanogenu i pangenom: konserwacja i zmienność w ekstremalnych temperaturach wzrostu w biologii, badania DNA (otwarty dostęp)

Astrobiologia