Исследование, проведенное биологом IU Дэвидом М. Кехо под управлением Джозефа Э. Санфилиппо, IU Ph.D. студентка, и Анимеш Шукла, бывший доктор философии IU.D. студент, в сотрудничестве с исследователями из США и Франции, впервые продемонстрировал, как регулируется процесс, улучшающий захват света морскими цианобактериями.
Исследование также дает представление о том, как гены могут легко переноситься между клетками в морской среде с помощью процесса, называемого горизонтальным переносом генов.
Это обычная форма движения ДНК, включающая участки генома, называемые «островками генома», что важно для эволюции многих организмов.
Об исследовании сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Цианобактерия Synechococcus – вторая по распространенности фотосинтезирующая бактерия в океанах Земли. Исследование IU было сосредоточено на том, как Synechococcus контролирует свою способность эффективно улавливать синий и зеленый свет для фотосинтеза.
«Для нас важно больше знать о морских цианобактериях, потому что они составляют важную часть пищевой цепи Земли», – сказал Кехо, профессор факультета биологии Блумингтонского колледжа искусств и наук. "Наша планета в основном работает от солнца, и эти организмы важны для преобразования солнечного света в органические соединения, которые являются пищей для других видов. Мы не могли бы существовать без этих и других «первичных производителей», потому что мы не можем создавать пищу из солнечного света."
В морской среде синий и зеленый свет проникают в толщу воды на разную глубину. На мелководных прибрежных водах многие клетки Synechococcus эффективно используют зеленый свет для фотосинтеза, в то время как в более глубоких водах океана бактерии максимально улавливают и используют синий свет. Около четверти всех исследованных морских Synechococcus могут выполнять этот процесс, называемый "хроматической акклиматизацией"."
Кехо руководил более ранним исследованием, которое предоставило первое механистическое понимание этой «хамелеоноподобной» способности многих синехококков улавливать синий и зеленый свет.
В текущем исследовании участвовали четыре группы французских и американских ученых.
«Наши коллеги во Франции, которые являются превосходными биологами-океанологами, были заинтригованы молекулярными аспектами хроматической акклиматизации, в то время как американские группы были заинтригованы ее экологическими последствиями», – сказал Кехо, молекулярный биолог. «Мы осознали, что, объединив наши усилия, мы можем изучить этот процесс на многих уровнях, от молекулярного до экологического. Это действительно совместный междисциплинарный проект."
Французская группа, возглавляемая Фредериком Партенским и Лоуренсом Гарцареком из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже и CNRS Station Biologique в Роскоффе, Франция, обнаружила геномный остров с шестью генами, которые коррелировали со способностью к хроматической акклиматизации. Профессор Венди Шлухтер и доктор философии.D. студент Адам А. Нгуен из Университета Нового Орлеана предоставил биохимические анализы для исследования. Джонатан А. Карти, младший научный сотрудник химического факультета Блумингтона, предоставил результаты масс-спектрометрии, которые сыграли решающую роль в открытиях группы.
В совокупности результаты группы показывают, что небольшой островок генома дает возможность пройти хроматическую акклиматизацию.
Если у определенного штамма Synechococcus нет островка генома, он не может пройти хроматическую акклиматизацию. Однако, если штамм приобретает островок генома, как это, по-видимому, сделала четверть штаммов, он, вероятно, подвергнется хроматической акклиматизации.
Группа обнаружила, что два гена, названные fciA и fciB, расположенные на острове генома, необходимы для включения и выключения экспрессии других генов на острове генома. В результате этот остров генома, по-видимому, саморегулируется и способен настраивать свой собственный ответ на изменения окружающей световой цветовой среды.
Результаты этого исследования обеспечивают важное понимание регуляции горизонтально переносимых генов. Хотя регуляция должна быть правильной, когда такие гены попадают в новый организм, регуляторные гены часто не расположены рядом с генами, которые они регулируют в геноме.
«Мы обнаружили, что этот остров генома включает в себя оба типа генов, что делает его самодостаточным, позволяя обеспечить надлежащую регуляцию этого процесса наряду со способностью к хроматической акклиматизации. Мы прогнозируем, что это способствует его распространению в окружающей среде ", – сказал Кехо.