Nieprzewidziane Genomowe Bounty Oceanu

Zgodnie z opublikowanymi dzisiaj masowymi badaniami genetycznymi ocean jest siedliskiem oszałamiająco – i zaskakująco – zróżnicowanej menażerii mikroorganizmów. Odkrycia pochodzą z ekspedycji pioniera genomiki Craiga Ventera, aby okrążyć świat jachtem, po drodze zbierając i analizując organizmy morskie. Nieoczekiwany poziom różnorodności sugeruje, że pomimo prawie 200 organizmów, które do tej pory zsekwencjonowano, naukowcy dopiero zaczęli zarysować powierzchnię repertuaru genetycznego Ziemi.

Sekwencjonowanie morza : Pionier genomiki Craig Venter okrążył glob na swoim jachcie, zbierając po drodze próbki oceanów do analizy genomowej.

Nie zrozumieliśmy zbyt wiele o naszej własnej planecie i naszym własnym środowisku, powiedział Venter Przegląd technologii z jego łodzi, Czarownik II , obecnie na Morzu Corteza w Meksyku. Brakowało nam aż 99 procent form życia i biologii. Twierdzi, że sekwencje genetyczne wygenerowane w ramach projektu będą miały szeroki wpływ, od pomocy naukowcom w zrozumieniu globalnych cykli węglowych po identyfikację możliwego życia na Marsie.

Mikroorganizmy stanowią większość życia na Ziemi, odgrywając główną rolę w obiegu węgla i innych globalnych cyklach energetycznych. Jednak ponieważ tylko około 1 procent organizmów można wyhodować w laboratorium, identyfikacja i zrozumienie tych mikroskopijnych stworzeń jest trudne. Ale już, stale ulepszane metody sekwencjonowania genów opracowane w ciągu ostatnich kilku lat oferują mikrobiologom nowe narzędzie do badania pozostałych 99 procent. Naukowcy mogą wyodrębnić materiał genetyczny z kropli wody morskiej, a następnie zsekwencjonować DNA, uzyskując genomowe wskazówki dotyczące wszystkich organizmów żyjących w tym środowisku.

Po udanych badaniach pilotażowych Morza Sargassowego w 2003 roku Venter wyruszył w znacznie dłuższą wyprawę, podążając szlakiem brytyjskiego statku Pretendenta , wyprawa badawcza, podczas której pod koniec XIX wieku skatalogowano 5000 nowych gatunków morskich. Załoga przepłynęła prawie 6000 mil na pokładzie jachtu Ventera, zbierając próbki wody powierzchniowej co 200 mil.

Pierwszy zestaw wyników opublikowany w tym tygodniu w trzech artykułach w czasopiśmie PLoS Biologia , ujawnił sześć milionów nowych białek, podwajając liczbę znanych sekwencji białkowych. Wszędzie, gdzie pobieraliśmy próbki, znajdowaliśmy nowe białka, mówi Venter.

Badacze skupili się głównie na analizie nowych sekwencji kodujących białka, a nie na identyfikacji konkretnych mikroorganizmów, ponieważ różnorodność DNA utrudniała łączenie w pojedyncze genomy. (Sekwencje DNA wygenerowane z kropli wody morskiej zawierają fragmenty genomów wielu różnych mikroorganizmów. Naukowcy porównują to do próby ułożenia puzzli z pudełka zawierającego kilka elementów z tysiąca różnych puzzli.)

Ta nowa kolekcja białek powinna rzucić światło na ewolucję białek, a być może nawet zasugerować genetykę naszych najwcześniejszych organizmów przodków. Dzięki zróżnicowanej kolekcji białek można zbudować drzewo filogenetyczne i spróbować wywnioskować funkcję i sposób jej ewolucji, mówi Shibu Yooseph, naukowiec z J. Craig Venter Institute w Rockville, MD i główny autor jednego z PLoS Biologia dokumenty tożsamości. W przypadku każdej rodziny, którą przyjrzeliśmy się, zarówno liczba, jak i różnorodność nowych białek była naprawdę nieoczekiwana.

Jeden z najobficiej występujących rodzajów białek zidentyfikowanych w badaniu pochodzi z proteorodopsyn, molekuł przypominających białka wyczuwające światło w ludzkim oku. Wydaje się, że wyposażają mikroorganizmy w mechanizm alternatywny do fotosyntezy w celu generowania energii ze światła. Naukowcy odkryli również, że niewielkie zmiany w białku wpływają na długość fali światła, którą organizm może absorbować: konkretny wariant, jaki posiada organizm, wydaje się podążać za dominującym kolorem wody w jego otoczeniu. Na przykład na wybrzeżu, gdzie woda jest zielona, ​​organizmy mogą w większości pochłaniać zielone światło. Ale w głębinach morskich, gdzie woda jest niebieska, organizmy mogą w większości pochłaniać niebieskie światło.

W rzeczywistości każde środowisko, z którego pobrano próbki, wykazywało dużą różnorodność genetyczną, zarówno w obrębie próbek, jak i między nimi. Odkrycia podważają pojęcie gatunku w mikroorganizmach. Kiedy spojrzysz na drobnoustroje, nie wydają się one być indywidualnymi gatunkami, mówi Douglas Rusch, również naukowiec z Instytutu Venter i autor jednego z artykułów. Wydaje się, że jest to złożona mieszanka, którą opisujemy jako podtypy, które są przystosowane do konkretnego środowiska.

Projekt Ventera wpisuje się w nowy trend w genomice, który dzięki nowym technologiom sekwencjonowania umożliwia sekwencjonowanie całych społeczności drobnoustrojów, a nie pojedynczych organizmów. Technologie te umożliwiają masowo równoległe sekwencjonowanie, dzięki czemu możemy uzyskać setki tysięcy sekwencji w pojedynczych seriach, mówi George Weinstock , współreżyser Centrum sekwencjonowania genomu ludzkiego w Baylor College of Medicine w Houston. Do tej pory naukowcy przeprowadzili sekwencjonowanie drobnoustrojowych mieszkańców tusz wielorybów, oczyszczalni ścieków, odwadniaczy kopalni kwasów i jelit termitów.

Społeczności drobnoustrojów są prawie jak superorganizm, w którym każdy drobnoustrój przyczynia się do społeczności jako całości, mówi Weinstock. Naprawdę musimy scharakteryzować metagenom i przeanalizować geny i produkty białkowe jako agregat.

Venter i inni mają nadzieję na znalezienie białek, które można dokooptować do tworzenia nowych maszyn bakteryjnych – na przykład białek zaangażowanych w produkcję wodoru lub wiązanie węgla, które pewnego dnia mogłyby zostać opracowane w celu zwiększenia zdolności oceanu do wiązania węgla lub tworzyć bakterie produkujące paliwo. Geny są elementem projektowania przyszłości, mówi Venter.

ukryć