Kiedy globalna pandemia zmusiła jego poprzedniego studenta, doktora Devona Bolanda, do opuszczenia laboratorium i przejścia do pracy przy komputerze, odkrył on ogromną różnicę ukrytą w długo badanym gatunku Botryoccocus braunii — i odkrył, że nie jest to wcale jeden gatunek, ale trzy.

Botryococcus braunii został odkryty po raz pierwszy w połowie XIX wieku. Technicznie rzecz biorąc, jest rośliną, przechodzi fotosyntezę i, co jest najciekawsze dla badaczy, produkuje duże ilości węglowodorów, które mogą być wykorzystywane jako odnawialne źródło paliwa.

Wcześniej uważano, że jest to jeden gatunek z trzema rasami: A, B i L, z których każda produkuje nieco inne rodzaje olejów. Jednak po odkryciu dramatycznej 20-30% różnicy genetycznej między każdą rasą, zespół badaczy z Texas A&M AgriLife zaproponował nową klasyfikację — i spełnił marzenie każdego biologa o nadaniu nazw gatunkom.

„Jako student studiów podyplomowych czytasz artykuły, które wszystkie mówią to samo, że to jeden gatunek z trzema rasami chemicznymi, i to internalizujesz” — powiedział Boland, pierwszy autor badania pokazującego porównania genomiczne. „Zaczynasz myśleć, że to musi być prawda. Nikt nie odkrył czegoś innego, a wszyscy ci naukowcy mają o wiele dłuższą karierę niż ja — jestem tylko dzieciakiem.

„Ale ostatecznie udało mi się zaproponować nazwy dla gatunku, które zostały zaakceptowane do publikacji, czego nigdy bym się nie spodziewał”.

Pół konieczności, pół okoliczności

Przed przybyciem do Texas A&M, Boland spędził swoje badania licencjackie pracując nad „chlebowymi” badaniami biochemicznymi w takich obszarach jak inżynieria białek. Jego praca magisterska miała koncentrować się na procesie produkcyjnym, którego Botryococcus braunii używa do syntezy swoich unikalnych węglowodorów.

Kiedy jednak wybuchła pandemia COVID-19, Boland zaczął się martwić, że straci czas na pisanie pracy magisterskiej i że może to opóźnić jego ukończenie studiów.

W odpowiedzi dr Tim Devarenne, zastępca kierownika programów studiów licencjackich i profesor nadzwyczajny w Katedrze Biochemii i Biofizyki na Texas A&M College of Agriculture and Life Sciences, zasugerował, aby Boland wykorzystał tę okazję i zajął się danymi genetycznymi i bioinformatyką.

„Posiadanie zmapowanego genomu organizmu, który nas interesuje, jest zawsze idealnym rozwiązaniem podczas badań, ponieważ pozwala łatwiej znaleźć geny i określić ich funkcje” – powiedział Devarenne.

Inny poprzedni student w laboratorium, Daniel Browne, wykonał sekwencjonowanie i złożył genom rasy B. Podczas jednego z cotygodniowych spotkań Devarenne i Bolanda, Devarenne zaproponował, aby spróbować zrobić to samo z rasą A i L.

„To przyniosło podwójną korzyść” – powiedział Boland. „Mogliśmy zrobić coś, czego wcześniej nie robiono, a ponadto mogło nam to pomóc lepiej zrozumieć biosyntezę węglowodorów”.

Chociaż rasy są praktycznie nie do odróżnienia pod mikroskopem, Boland powiedział, że toczyła się debata na temat tego, czy były to różne gatunki. Byli zainteresowani, czy badanie genomiczne mogłoby rzucić światło na tę kwestię.

Oprócz Devarenne’a, Bolanda i Browne’a, w skład zespołu badawczego wchodzili: Ivette Cornejo Corona, dr, badaczka podoktorska w laboratorium Devarenne’a; John Mullet, dr, inny badacz i profesor na Wydziale Biochemii i Biofizyki; Rebecca Murphy, dr, była studentka w laboratorium Mulleta; a także wieloletni współpracownik w badaniach nad Botryococcus, dr Shigeru Okada, profesor na Uniwersytecie Tokijskim w Japonii.

Analiza genetyczna

Chociaż Botryococcus jest powszechnie badany pod kątem produkcji węglowodorów, sekwencjonowanie jego genomu okazało się trudne.

Boland, obecnie asystent naukowca w Instytucie Nauk Genomicznych i Społeczeństwa Texas A&M, powiedział, że gęste, oleiste środowisko, w którym żyją komórki, sprawia, że ​​ekstrakcja i izolacja DNA jest wyzwaniem.

Mimo to zespół postanowił przeanalizować genomy i sprawdzić podobieństwa między genami i białkami biorącymi udział w procesach produkcji biopaliw u poszczególnych ras.

Jednak po połączeniu genomów i wykorzystaniu superkomputerów w Texas A&M High Performance Research Computing Center do przeprowadzenia porównań genomicznych, Boland stwierdził, że stało się jasne, iż te organizmy nie należą do tego samego gatunku.

„Gdziekolwiek spojrzeliśmy, wszystko wyglądało inaczej” – powiedział.

Ostatecznie naukowcy stwierdzili, że około jeden na pięć genów jest unikalny dla każdej z ras Botryococcus. Aby zobrazować tę 20% różnicę, różnica genetyczna między ludźmi a szympansami, naszym najbliższym ewolucyjnym krewnym, wynosi mniej niż 2%.

Po kilku kolejnych walidacjach Boland i Devarenne postanowili przeklasyfikować rasy Botryococcus. Boland powiedział, że zespół spędził miesiące na opracowywaniu różnych nazw.

Aby upamiętnić historię rasy B, zachowano jej pierwotną nazwę Botryococcus braunii, a rasę A przemianowano na Botryococcus alkenealis, a rasę L na Botryococcus lycopadienor, co wskazuje na rodzaj węglowodorów produkowanych przez każdą z nich.

Co tworzy gatunek

W niedawnej przeszłości biolodzy zaczęli przywiązywać większą wagę do genów i genomów przy klasyfikowaniu organizmów.

Jednak Devarenne twierdzi, że nawet jeśli istnieją dowody na to, że glony Botryococcus należy uważać za odrębne gatunki, to tak naprawdę o gatunku decyduje ogólna akceptacja ze strony społeczności naukowej.

Po opublikowaniu recenzowanego badania w PLOS JedenDevarenne podzielił się odkryciami zespołu z ponad 100 innymi naukowcami, którzy badają te organizmy we własnych laboratoriach.

„To, jak definiujemy odrębne gatunki, może niewiele zmienić się w zależności od tego, jak te organizmy są wykorzystywane w badaniach” – powiedział. „Ale jest to ważne dla zrozumienia naukowego, w jaki sposób myślimy o tym, w jaki sposób te organizmy są ze sobą powiązane i ze wszystkimi innymi gatunkami”.

Boland powiedział, że on i Devarenne opublikowali w czasopiśmie o otwartym dostępie, aby inni naukowcy mogli rozwijać ich pracę. Kompletne genomy gatunku są również dostępne na stronie internetowej National Center for Biotechnology Information.

„Dla nas ważne było, aby informacje były publicznie dostępne, gdy będą gotowe do publikacji” – powiedział. „Nauka jest napędzana przez społeczność. Ostatecznym celem jest zawsze poszerzenie naszej zbiorowej wiedzy i myślę, że to właśnie osiągnęliśmy tutaj”.