Обитатели земных глубин. О самых странных существах на планете - Карен Ллойд

это делают растения, или поедает других, как это делают животные. Метод показывает, как клетки движутся, создают оболочку, защищаются, захватывают питательные вещества, выделяют отходы, дышат, реагируют на стресс, синтезируют антибиотики и многое другое. На основании последовательностей ДНК мы можем предсказывать, какой пищей питаются обитатели земных глубин или образуют ли они споры – прочные структуры, сохраняющие клеткам жизнь в неблагоприятных условиях. Конечно, мы не вправе сказать наверняка, что эти гены делают именно то, что мы предполагаем. Даже если ген обитателя земных глубин похож на какой-то хорошо известный ген, он может работать иначе. Однако существуют способы для проверки наших предположений. Например, мы можем превратить ген в белок и определить его функцию в лабораторных условиях. Или, еще лучше, найти прямые доказательства его функции в природе. Если гены показывают, что микроб производит метан, мы можем отправиться к месту его обитания и проверить, есть ли там метан. И в результате мы определим возможный образ жизни обитателей земных недр исключительно на основании анализа ДНК и среды.

Теперь, возвращаясь с большим количеством замороженных образцов из горячих источников или буровых скважин в океанском дне, мы просто выделяем ДНК, отправляем ее на секвенирование и получаем последовательности миллионов коротких фрагментов ДНК, случайным образом рассеянных по геномам всех микробов в каждом образце. Для большинства сегодняшних аспирантов кропотливая часть работы заключается не в отборе колоний E. coli, как это было у меня, а в биоинформатическом анализе. Биоинформатика – это общий термин для методов анализа и интерпретации терабайт последовательностей ДНК-фрагментов. Эти методы позволяют с помощью компьютерных алгоритмов определить локализацию крохотных фрагментов ДНК в геномах тех клеток, из которых их выделили.

В современной версии метода Illumina мы вынуждены секвенировать очень короткие последовательности ДНК. Но не лучше было бы секвенировать ДНК в ее исходном виде, а не собирать обратно последовательность, после того как мы ее целенаправленно разрушили? Кроме умения секвенировать только мелкие фрагменты, у современных методов секвенирования ДНК существует еще один недостаток: они на самом деле не анализируют ДНК непосредственно из образца. Они “видят” ДНК только тогда, когда делают копии копий исходных последовательностей. Если провести аналогию с книгами, наши современные технологии секвенирования ДНК – это чтение копий вместо оригиналов. Для копирования ДНК мы пользуемся природным ферментом, который называют ДНК-полимеразой, причем этот фермент допускает некоторое количество ошибок. И в природных условиях это важно: изредка он позволяет встраиваться неправильным нуклеотидам – и возникают мутации, а без мутаций нет эволюции. Такие ошибки в копировании обеспечивают живым организмам великолепную возможность обзавестись перьями или хвостом, однако для точного прочтения последовательностей ДНК это недостаток.

К счастью, существует единое решение сразу обеих проблем: вынужденной работы с короткими фрагментами ДНК и вынужденного использования фермента, который синтезирует слегка искаженные последовательности. Нам нужно научиться секвенировать длинные последовательности ДНК. Однако это легче сказать, чем сделать. Современное решение – так называемое нанопоровое секвенирование. В технологии с применением нанопор ферменты используют не для создания копий ДНК, как в других методах, а для развертывания и разделения нитей ДНК, которые пропускают через крохотные отверстия в заряженной мембране. По мере того, как отдельная нить ДНК протягивается через одно из отверстий, аппарат определяет и регистрирует проходящий нуклеотид по его влиянию на заряд мембраны. Это первый прямой способ секвенирования ДНК. А еще одно преимущество нанопорового метода в том, что с его помощью можно секвенировать длинные последовательности[22]. Как минимум теоретически эта технология когда-нибудь позволит в одно прочтение определить последовательность целого генома.

Однако пока нельзя сказать, что началась третья революция в исследованиях ДНК. Это все еще сравнительно новая технология, с бóльшим количеством ошибок в расчете на одно основание по сравнению с другими методами. Но она быстро совершенствуется, и я очень надеюсь, что уже скоро наступит день, когда мне больше не понадобятся сложные компьютерные алгоритмы, чтобы собрать воедино те кусочки ДНК, которые я сама же накромсала для проведения секвенирования.

Два этапа в революции исследований ДНК, которые мы пережили за время моей научной работы, изменили правила игры. Они отменили ограничения традиционных лабораторных методов микробиологии. Как мы увидим в следующем разделе книги, новые знания, полученные с помощью этих современных технологий, навсегда изменили наши представления о жизни на Земле.

Часть II

Как обитатели земных глубин меняют наше понимание жизни на планете?

Глава 4

Люди и другие растения

Революция в исследованиях ДНК показала, что на нашей планете обитает какое-то немыслимое количество видов живых существ. Однако еще она показала, насколько эти неизвестные доселе существа отличаются в эволюционном плане от тех, что мы знали раньше. Сравнимо ли по масштабу наше открытие с обнаружением нового вида обезьян? Или оно намного важнее и сопоставимо с обнаружением всех позвоночных животных? В этой главе я опишу странные новые формы жизни, найденные нами в глубинах Земли, и даже расскажу, как вы можете найти их самостоятельно, если вам это интересно.

Новая ветвь на древе жизни

Когда в 2001 году я начала работать над диссертацией в Университете Северной Каролины, я очень скоро поняла, что ДНК становится мощным инструментом в охоте за организмами, обитающими под поверхностью Земли, и открывает нам новые возможности для исследований, которых еще за несколько лет до того не существовало. Однако это было самое начало революции ДНК, и мы должны были выбрать, какой ген использовать для идентификации новых организмов.

Откуда мы знали, какой ген следует искать? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно вкратце обсудить суть эволюционного процесса. Любая живая клетка, чтобы жить и делиться, должна копировать свою ДНК, однако при копировании клеточный аппарат часто допускает ошибки[23]. Эволюция может происходить, если эти ошибки дают организму какое-либо преимущество, так что его потомки оказываются более успешными и передают эту ошибку далее своему потомству. Таким образом мутировавший ген закрепляется в популяции. Однако не все гены переносят неточное копирование. Любая неточность в жизненно важных генах летальна для организма, и такая мутация не будет передана потомству. Именно гены такого типа, стойко сопротивляющиеся эволюционным изменениям, мы и должны были исследовать, чтобы определить положение организма на древе жизни. Последовательности таких генов отражают эволюционную историю организма, а не только изменения, дающие преимущество в текущий момент.

Для нас с моим научным руководителем Андреасом Теске выбор был очевиден: нужно анализировать ген 16S рибосомной РНК (рРНК). В 1980-е годы Карл Вёзе и сотрудники его лаборатории