Калифорнийский университет в Беркли, ученые определили более 35 новых групп бактерий, прояснив загадочную ветвь древа жизни, которая была туманной, потому что эти микробы нельзя выращивать и изучать в лаборатории.
Новые группы составляют более 15 процентов всех известных групп или типов бактерий, говорят ученые, и включают в себя самые маленькие формы жизни на Земле, микробы размером всего 400 нанометров в поперечнике. Количество новых бактериальных типов равно всем известным типам животных на Земле.
Ученые, которые недавно также идентифицировали девять новых групп микробов, известных как археи, рассматривают эти новые дополнения к жизни на Земле как знак того, что принятое древо жизни – разделение эукариот на три области, в которые входят животные и растения, бактерии и археи – требует доработки.
«Это новый взгляд на древо жизни», – сказала ведущий автор Джилл Бэнфилд, профессор наук о Земле и планетах, а также наук об окружающей среде, политике и управлении. "Эти новые важные функции на древе жизни означают, что это, вероятно, не будет простым трехдоменным представлением, которое мы имеем сейчас."
Аспирант Кристофер Браун, Бэнфилд и их коллеги сообщат об открытии онлайн 15 июня до публикации в журнале Nature. Банфилд также является научным сотрудником отдела наук о Земле Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
Новое излучение бактерий
Многие из недавно идентифицированных бактерий были замечены ранее и предварительно классифицированы как «типы-кандидаты», потому что о них мало что было известно, за исключением нескольких последовательностей генов.
Команда Калифорнийского университета в Беркли поняла, что единственный способ прояснить такую расплывчатую классификацию – это секвенировать геномы этих организмов, и они решили собрать образцы подземных вод на участке восстановления в Рифле, штат Колорадо. Поскольку они подозревали, что многие из необычных микробов были маленькими, они проанализировали образцы, прошедшие через 0.2-микронные фильтры, которые задерживают большинство бактерий и часто используются для очистки воды.
Коллеги из Объединенного института генома Министерства энергетики секвенировали ДНК всех микробов в отфильтрованном образце, метод, известный как метагеномный анализ. Затем команда Бэнфилда собрала миллионы фрагментов ДНК в восемь полных бактериальных геномов из четырех новых и одного ранее изученного типа и подготовила геномы – большинство из которых более чем на 90 процентов завершены – для 789 других бактерий. Они объединяют более 35 типов в кластер, который они называют «кандидат филосовского излучения» из-за их сходства друг с другом и резких отличий от других бактерий.
«Мы были действительно удивлены, обнаружив, насколько разнообразны эти группы в пределах бактериальной области и насколько последовательно организмы в пределах этого излучения отличаются от остальных бактерий», – сказал Браун, сотрудник отдела биологии растений и микробов Калифорнийского университета. Беркли. "Раньше никому не удавалось собрать все воедино."
Эти различия, которые включают малый размер бактерий и небольшие геномы, могут быть причиной того, что их нельзя выращивать в лабораторных условиях: они представляют собой урезанные формы жизни с минимальными требованиями генов, не способными создавать ключевые строительные блоки, и, вероятно, зависит от помощи других форм жизни. По оценкам исследователей, внутри этого излучения может быть более 250 отдельных типов.
Три области жизни
Вся жизнь разделена на три области, хотя все, что мы видим вокруг, принадлежит только одному из них: эукариотам или организмам, в клетках которых есть ядра. Внутри эукариот насчитывается около 35 типов животных – тип Chordata включает людей и всех других позвоночных – 12 типов растений и несколько грибов.
Микроскопический бактериальный домен был гораздо более расплывчатым, потому что некоторые организмы, широко обнаруживаемые в окружающей среде, не могут расти в культуре, как другие бактерии.
По некоторым оценкам, существует 100 бактериальных типов, но только у 29 есть представители, которые будут расти в культуре.
Новое открытие позволило команде не только определить около трети всех типов бактерий, но и, благодаря почти полным геномам, охарактеризовать их образ жизни.
«Люди видели эти бактерии в обследованиях самых разных сред по всей планете, поэтому мы знали, что они есть и что они довольно широко распространены», – сказал Браун. "Мы не знали, что это за организмы и на что они способны."
Около половины всех генов в этих более чем 35 типах являются новыми и не похожи на другие известные гены. Узнаваемые гены предполагают, что большинство бактерий используют простой процесс ферментации для получения необходимой им энергии вместо использования аэробного или анаэробного дыхания, как у многих других бактерий.
У них также есть необычные рибосомы, мультибелковые машины, которые переводят генетические инструкции в белки. Фактически, обычное геномное сканирование не обнаружит их из-за характерных генов 16S рибосомной РНК.
Команда Калифорнийского университета в Беркли обнаружила, что некоторые бактерии имеют очень редкие вставки, называемые интронами, в генах, кодирующих рибосомную РНК 16S, что делает их невидимыми для современных методов обнаружения.
«Мы обнаружили, что все они имеют по крайней мере пару необычных рибосомных свойств, и во многих из них отсутствуют рибосомные белки, которые считаются универсальными для всего древа жизни или для всех бактерий», – сказал Банфилд.
«Необычные рибосомы, маленькие геномы – от 600 до 1100 генов – неспособность синтезировать аминокислоты и нуклеотиды, а также последовательная история метаболизма действительно соединяют эти бактерии вместе довольно удивительным образом», – сказал Браун.
Банфилд десятилетиями изучал необычные микробные сообщества, исследуя не только кислотные бассейны в заброшенных шахтах и загрязненные грунтовые воды на участке очистки Суперфонда в Колорадо, но и кишечник недоношенных детей. В процессе она и ее команда пришли к пониманию удивительного разнообразия и образа жизни этих микробов.
"Я думаю, это говорит нам о том, что большая часть бактерий и их образ жизни сильно отличается от того, что мы думали раньше. "Есть много биологии, которую мы не смогли понять с помощью наших нынешних методов", – сказал Браун.
Команда уже назвала более 20 новых типов, большинство в честь отмеченных наградами микробиологов, но одна – Berkelbacteria – в честь Калифорнийского университета в Беркли.
Другими соавторами являются Лаура Хуг, Брайан Томас, Итаи Шарон, Синди Кастель и Андреа Сингх из Департамента Земли и планетологии Калифорнийского университета в Беркли; Майкл Уилкинс и Келли Райтон из Университета штата Огайо в Колумбусе; и Кеннет Уильямс из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.
Работа поддержана Министерством энергетики.