Istnieje ożywiona wymiana informacji genetycznej pomiędzy licznymi mikroorganizmami w oceanach. Ten tak zwany poziomy transfer genów (HGT) ma kluczowe znaczenie dla ewolucji wielu organizmów i jest na przykład najważniejszym mechanizmem rozprzestrzeniania się oporności na antybiotyki u bakterii. Do tej pory zakładano, że za wymianę genów odpowiedzialne są przede wszystkim bezpośrednie kontakty między komórkami, wolnym DNA czy wirusami. Badanie prowadzone przez Susanne Erdmann z Instytutu Mikrobiologii Morskiej im. Maxa Plancka w Bremie pokazuje obecnie, że tak zwane pęcherzyki zewnątrzkomórkowe są również bardzo ważne dla przekazywania informacji genetycznej w morzu, a tym samym dla życia jego najmniejszych mieszkańców.

Wirusy, GTA, EV: małe i liczne

Większość wirusów jest niewielka. W każdej kropli wody morskiej można znaleźć ich aż 10 milionów. Potrafią nie tylko spakować własny materiał genetyczny (swój genom), ale także fragmenty DNA żywiciela – czyli DNA zakażonego organizmu – i przenieść go do innych komórek.

Badanie wirusów jest wyzwaniem. Próbki wody morskiej należy przefiltrować przez filtry o wielkości porów wynoszącej zaledwie 0,2 µm (czyli około 300 razy mniej niż grubość ludzkiego włosa), aby oddzielić wirusy od komórek. Oprócz wirusów te przefiltrowane próbki zawierają także tak zwane czynniki przenoszące geny (GTA) i pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (EV). GTA to cząstki wirusopodobne, które pakują wyłącznie DNA gospodarza, a EV to małe pęcherzyki otoczone błoną, które oddzielają się od powierzchni komórki gospodarza. Te pojazdy elektryczne mogą zawierać różne cząsteczki. Oprócz enzymów, składników odżywczych i RNA często transportują fragmenty DNA.

Pojazdy EV są płodnymi transporterami materiału genetycznego

Erdmann i jej zespół wykazali teraz, że inaczej niż wcześniej zakładano, w przefiltrowanych próbkach wody morskiej znajduje się dużo DNA gospodarza, które nie jest transportowane przez wirusy. Udowodnienie tego było niezwykle skomplikowane. „Po sekwencjonowaniu, czyli odczytaniu DNA gospodarza, nie możemy już rozpoznać, w jaki sposób dostało się ono do naszej próbki” – wyjaśnia Erdmann, szef grupy badawczej Maxa Plancka Archaea Virology w Instytucie Maxa Plancka w Bremie. „Nie ma funkcji przypisania sekwencji do konkretnego mechanizmu transportowego”. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zastosowali pewien trik. Na pierwszym etapie przypisali każdą sekwencję DNA gospodarzowi, z którego pierwotnie pochodziła. Następnie w miarę możliwości określili główny mechanizm transportu dla każdego hosta – tj. przez wirusy, GTA lub pojazdy elektryczne. Umożliwiło im to przypisanie potencjalnego mechanizmu transportu do określonej sekwencji DNA. „Wynik był zaskakujący: najwyraźniej duża część DNA nie była transportowana klasycznymi drogami, ale przez pęcherzyki zewnątrzkomórkowe” – mówi Erdmann.

To znacznie więcej niż tylko odpady – w oceanie i poza nim

„Pęcherzyki zewnątrzkomórkowe przez długi czas uważano za odpady komórkowe. Dopiero w ciągu ostatnich piętnastu lat naukowcom udało się wykazać ich różne funkcje dla komórki. Nasze badanie wyraźnie podkreśla fundamentalną rolę, jaką pojazdy elektryczne odgrywają w wymianie materiału genetycznego między komórkami” – wyjaśnia Dominik Lücking, doktorant w grupie Erdmannsa i pierwszy autor badania, które zostało właśnie opublikowane w czasopiśmie Komunikacja ISME. Autorzy sugerują zatem zmianę terminologii: „Tradycyjnie podczas ekstrakcji i sekwencjonowania DNA z frakcji 0,2 µm mówimy o wiromie, metagenomie wzbogaconym wirusami” – mówi Lücking. „Jednak w ten sposób tracimy różnorodność innych, niewirusowych cząstek w tej frakcji, takich jak pojazdy elektryczne. Dlatego sugerujemy nazwać tę frakcję „chronionym zewnątrzkomórkowym DNA”, czyli peDNA”.

Przedstawione tutaj badanie kładzie podwaliny pod przyszłe badania nad peDNA we wszystkich ekosystemach, w oceanie i poza nim. „Nowa nomenklatura umożliwi nam jaśniejsze mówienie o mechanizmach i procesach, których nie obejmuje termin wirom”, mówi Erdmann. Przyszłe badania mogą wykorzystać to badanie jako wytyczne do oceny roli pęcherzyków zewnątrzkomórkowych w innych środowiskach, takich jak gleba i systemy słodkowodne lub ludzkie jelita. „Biorąc pod uwagę znaczenie poziomego transferu genów w wielu ekosystemach, jesteśmy pewni, że przed nami jeszcze wiele niespodzianek” – podsumowuje Erdmann.