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

Мы сразу обратили внимание на необыкновенную странность большинства из этих генов, толком ничего не было понятно. Даже сегодня подавляющая часть этой “геномной темной материи” остается абсолютно неизученной. В меньшем количестве такая ДНК есть и в клетках человека, и в клетках E. coli. Несмотря на чрезвычайную привлекательность исследования, мы вынуждены были отложить эти открытия на будущее.

Однако мы обнаружили нечто совсем уж неожиданное для полумертвых подземных организмов, питающихся старым органическим веществом из морских отложений. У них есть ген, кодирующий белок гингипаин – секретируемый патогенными организмами фермент, который растворяет ткани десен и вызывает гингивит. Однако таких микробов, как в наших образцах, никогда не находили во рту у человека, так зачем им этот фермент?

Пожалуй, еще загадочнее было то, что эти клетки вообще секретируют ферменты во внешнюю среду. Синтез ферментов обходится дорого, а эти клетки голодают. Даже если они используют ферменты для расщепления пищи (а по-видимому, так и есть), их секреция ферментов вовне – это как если бы вы разбросали по городу стодолларовые купюры в надежде, что кто-то подберет их и купит вам бутерброд. Неэффективный способ существования. Я бы не обратила внимания на эти гены, если бы их было лишь несколько, но они содержались в виде многочисленных копий в каждой клетке. Гингипаин был лишь каплей в море: в одном геноме содержалось семь генов гингипаина и еще пять копий похожих ферментов!

Мы послали статью со своими результатами в журнал Nature, но редакторы хотели дополнительных доказательств, что эти гены работают именно так, как нам казалось. Например, предлагалось провести эксперименты, показывающие, что эти ферменты активны в данной среде. Но к сожалению, я не представляла себе, как это сделать. В тот вечер за ужином я пожаловалась на это своему мужу Дрю Стину, профессору в Университете Теннесси. Он недоверчиво взглянул на меня и спросил: “Ты ведь знаешь, чем я зарабатываю на жизнь? Я изобретаю методики для анализа ферментов в грязных образцах из окружающей среды”.

Муж простил мне мою тупость и предложил метод для определения активности ферментов, гены которых мы обнаружили. И я дала ему немного нашей замороженной грязи, чтобы он попробовал с ней поработать. Через несколько недель, когда я была на конференции за границей, он мне позвонил. Я испугалась, вдруг что-то случилось с нашей дочкой, но он сказал: “Гингипаин в ваших образцах не просто активен – он в шесть раз активнее, чем ферменты, которые мы обычно ищем в подобных отложениях”. Мы обнаружили новую функцию наших подземных жителей и заодно новый путь разложения соединений углерода в морских отложениях. Опубликованная нами статья стала стимулом для многих моих последующих исследований11.

Как раз в то время, когда мы делали эту работу, произошли изменения гораздо более значительного масштаба. Джиллиан Бэнфилд и Катрина Эдвардс, которые раньше работали вместе в Калифорнийском университете в Беркли и обнаружили архей, живущих при нулевом pH (дальше я расскажу, как археям это удается)12, способствовали тому, чтобы превратить подземную биологию из набора разрозненных проектов в ощутимое и зрелое научное направление. Катрина перебралась в Университет Южной Калифорнии, при финансовой поддержке Национального научного фонда основала Центр исследований темной энергии биосферы и запустила ряд проектов по глубоководному бурению океанского дна. Тем самым она и ее коллеги обеспечили финансирование и доступ к образцам из подземной биосферы для таких исследователей, как я и многие другие по всему миру. Одновременно с этим Джилл активно развивала биоинформатические методы для понимания физиологии микроорганизмов на основании анализа их ДНК. Несколькими годами ранее они с Джин Тайсон впервые прочли геномы непосредственно из природного образца13, но я никогда не думала о том, чтобы воспользоваться их методами, поскольку считала, что наше микробное сообщество слишком многообразно. Когда мы опубликовали информацию о нескольких геномах MCG, Джилл и Келли Райтон выпустили поразительную статью, где описали сорок девять геномов организмов из глубоко залегающих подземных вод14, а с тех пор было изучено уже несколько тысяч геномов подобных организмов. За последние десять лет Джилл, Джин, Келли и их коллеги разработали богатый арсенал аналитических инструментов и использовали их для изучения обширных пространств подземного мира. Благодаря их работе мы получили возможность узнавать, что представляет собой конкретный организм, и глубоко понимать его физиологические особенности – и все это без необходимости выращивать его в культуре. Джилл Бэнфилд и Катрина Эдвардс превратили подземную биологию в зрелое и самостоятельное научное направление. Теперь благодаря усилиям этих двух женщин мы полноценные специалисты в области подповерхностной геомикробиологии, а не “обычные” биологи, которые время от времени пытаются изучать организмы из странного подземного мира.

Используя некоторые методы, разработанные в лаборатории Бэнфилд, Фенпин Ван из Шанхайского университета Цзяотун получила намного более качественные последовательности геномов из организмов MCG, за которыми я охотилась, и дала этим организмам название посимпатичнее: Bathyarchaeota (батиархеи). “Бати” по-гречески означает “глубокий”, и такое имя было выбрано потому, что эти организмы происходят из глубоких ветвей древа жизни, да и живут глубоко под поверхностью15. Затем вместе с Кай-Уве Хинрихсом из Бременского университета в Германии они сделали еще один шаг вперед: стали кормить клетки батиархей одним из самых твердых продуктов на Земле – древесной корой, чтобы посмотреть, смогут ли они ею питаться. Однако трудно было понять, едят ли клетки кору, поскольку батиархеи существуют только в природных средах, наряду с миллиардами других видов, и совершенно непонятно, кто там чем питается. И поэтому, чтобы установить, какие же организмы едят древесную кору, исследователи применили интересный прием. С помощью химических реакций они изменили некоторые атомы углерода в лигнине, одном из компонентов коры, смешали это вещество с придонными отложениями из устья реки и ждали около года, не клюнут ли батиархеи на приманку.

В конце эксперимента выяснилось, что в биомассе клеток батиархей действительно содержатся измененные атомы углерода, которые могли происходить только из лигнина. Это означает, что клетки батиархей, принадлежащие к этой странной и ранней ветви на древе жизни и поселившиеся в иле, где теперь живут устрицы и моллюски, еще до появления на Земле этих самых устриц и моллюсков, питаются химическими компонентами древесной коры – по крайней мере, те батиархеи, которых мы обнаружили в устье реки. Мы пока не знаем, как живут глубоководные разновидности, которым древесная кора достается намного реже. Поскольку деревья появились на планете всего около полумиллиарда лет назад, мы не знаем, является ли эта способность новой адаптацией, возникшей только