Чтобы прочесть геном бактерии, теперь достаточно одной бактериальной клетки

С момента открытия бактерий учёные описали их великое множество — но ещё больше бактерий не открыто и не изучено. Бактерии есть везде, и в нашем кишечнике, и в геотермальных источниках. Казалось бы, просто бери их и исследуй. Но характеристика любой бактерии предполагает, что мы знаем её геном, а чтобы расшифровать его, нужно, чтобы под рукой было много ДНК. А ДНК можно получить, только научившись выращивать чистую культуру нужной бактерии. Если бактерию можно выращивать в лабораторных условиях, то, можно сказать, дело в шляпе — исследователи получают надёжный источник чистой ДНК нужного вида, не загрязнённой ДНК от других организмов.

Проблема, однако, в том, что далеко не все бактерии «приручаются», то бишь далеко не все они поддаются выращиванию в лаборатории. Даже те виды, которых не тянет на экстремальные условия, оказываются довольно капризными, и учёные не могут подобрать среду для их культивации. Но при этом, если просто проанализировать бактериальную ДНК из образца почвы или, скажем, морской воды, можно обнаружить десятки и сотни неизвестных бактериальных видов. К сожалению, в этом случае нельзя точно сказать, какая ДНК к какому виду относится, и не являются разные последовательности просто ошибочными прочтениями одного и того же фрагмента ДНК.

Эту массу неизвестных микробов иногда называют биологической тёмной материей — все эти бактерии, несомненно, существуют, но что они такое, мы сказать не можем. До сих пор, характеризуя новый вид бактерий по обломкам генома, приходилось ограничиваться фрагментами ДНК, кодирующими рибосомную РНК. Эти участки ДНК одни из самых консервативных (то есть наименее изменчивых), а потому одни из самых надёжных в вопросах систематики. О том, чтобы определить принадлежность других генов из биологической тёмной материи, кодирующих, например, какие-то метаболические ферменты, не было и речи.

Однако исследователям, похоже, удалось найти способ, позволяющий разгадать тайны микробной тёмной материи. Таня Войке и её коллеги из Объединённого геномного института в Калифорнии (США) и других научных центров США, Канады, Германии, Греции и Австралии создали метод, с помощью которого можно получить достаточное количество генетического материала всего из одной бактериальной клетки. Новая методика помогла исследователям описать 201 новый вид бактерий и архебактерий в девяти образцах из самых разных экологических ниш, от гидротермальных источников до подземных шахт с золотой рудой. Чтобы получить достаточное для анализа количество ДНК, нужно лишь скопировать ДНК из одной клетки миллиард раз. До сих пор для этого требовалось размножать саму бактерию.

От метода ждут буквально революционных результатов, и тому есть все основания. Для упомянутых новых видов пришлось создать пару десятков новых систематических групп, и если так будет продолжаться, наши взгляды на эволюционные взаимоотношения разных групп бактерий и архей нужно будет серьёзно пересматривать.

В журнале Nature авторы описывают некоторые молекулярно-биологические сюрпризы, замеченные при сравнении генов новооткрытых бактерий. Так, оказалось, что некоторые бактерии используют для синтеза азотистых оснований (структурных «кирпичиков» ДНК и РНК) ферменты, которые до сих пор считались исключительной собственностью архей. С другой стороны, отдельные новооткрытые археи имели при себе некий белок, необходимый для синтеза РНК, который, как считалось, есть только у бактерий.

В общем, учёные ждут, что с помощью этого метода древо жизни бактерий и архей прирастёт множеством новых ветвей, соответствующих систематическим группам самого разного уровня. Поскольку бактерии часто используются в биотехнологических и бионженерных исследованиях, надо думать, что и с практической точки зрения от новой технологии будет немалая польза — кто знает, может, удастся наконец-то найти такие виды бактерий, которые при должной заботе со стороны человека смогут решить и проблему загрязнения среды, и проблему нехватки топлива… Однако работа тут всё равно предстоит долгая и кропотливая: по оценкам авторов статьи, чтобы охарактеризовать с помощью предложенной методики хотя бы половину неизвестных бактериальных линий, нужно прочесть геномы примерно 16 000 клеток.

Подготовлено по материалам Объединённого геномного института. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.