Одни из первых микроорганизмов на Земле могли быть магнитотактическими — ученые пришли к такому выводу, впервые обнаружив геном магнитотактической бактерии в филуме Elusimicrobia. Ранее считалось, что магнитотактические бактерии появились 3,2 миллиарда лет назад, но новые данные указывают на то, что бактерии, близкие к последнему общему бактериальному предку, жившему около 3,6 миллиардов лет назад, уже могли быть магнитотактическими. Статья опубликована в журнале Scientific Data.

Магнитотактические бактерии (МТБ) отличаются способностью к синтезу магнетосом — специальных клеточных органелл, представляющих собой продукт биоминерализации железа. Они образованы кристаллами магнетита или грейгита, покрытыми липопротеиновой мембраной. Благодаря магнетосомам МТБ способны ориентироваться в пространстве по силовым линиям магнитного поля Земли. Движение по таким ориентирам производится с помощью жгутиков и называется магнитотаксисом. Синтез магнетосом контролируется магнетосомным геномным кластером, в который входят уникальные гены, участвующие во всех этапах биоминерализации. Основные гены, присутствующие в геномах всех МТБ, называются mam (magnetosome membrane) генами. Существуют и группоспецифичные гены: например, man гены присутствуют только у МТБ филума Nitrospirae и, вероятно, отвечают за пулевидную форму магнетосом.

Магнитотактические бактерии имеют большое значение для медицины: представителей этой группы уже начали использовать при лечении рака. Благодаря своим магнитным свойствам и наличию мембраны магнетосомы могут использоваться для доставки лекарства непосредственно к опухоли. Ученые уже более 50 лет ищут представителей этой группы в окружающей среде. За этот срок им удалось найти всего лишь 60 геномов, 45 из которых относятся к филуму Proteobacteria.

Микробиологи продолжают искать магнитотактиков в почве, воде и донных отложениях (они могут обитать только в среде со значительным количеством воды), но это весьма непростая задача: практически в любом микробоценозе они составляют не более одного процента от общего количества бактерий. В последние годы появились новые возможности для подобных исследований благодаря увеличению количества геномных и метагеномных данных в открытых базах. Ученые со всего мира загружают туда новые метагеномные данные, но большая часть таких последовательностей не используется — в метагеномах авторы исследований ищут только представителей интересующих их групп.

Российские ученые из Института биоинженерии РАН под руководством Дениса Груздева (Denis Grouzdev) провели первый в мире широкомасштабный поиск геномов магнитотактических бактерий, опираясь на данные открытых баз NCBI и IMG. Для этого они использовали все геномы в обеих базах на апрель 2018 года и 10587 метагеномов из IMG. В каждом геноме и метагеноме авторы исследования провели поиск mam генов. Метагеномы, последовательности в которых включали такие гены, они сохраняли для последующей обработки. Ученые реконструировали геномы, содержащие гены магнетосомного геномного кластера, с помощью программ BusyBee, MaxBin2 и MyCC и составили консенсусную сборку в DasTool.

Всего авторы исследования выявили 38 геномов с нужными генами. Определяя их филогенетическое положение, они впервые обнаружили МТБ в филумах Elusimicrobia, Nitrospinae и Ca. Hydrogenedentes. Реконструкция генов магнетосомного геномного кластера позволила строить гипотезы о происхождении и эволюции магнитотаксиса. В ходе исследования авторы первыми выявили наличие man генов у МТБ класса Deltaproteobacteria, что может свидетельствовать о горизонтальном переносе генов между филумами, что ранее не наблюдалось среди МТБ. Кроме того, методом главных компонент был предсказан химический состав магнетосом у МТБ из новых филогенетических групп. Вероятно, МТБ филумов Elusimicrobia и Ca. Hydrogenedentes синтезируют магнетосомы грейгитового состава, а Nitrospinae — магнетитового.

Обнаружение МТБ в филуме Elusimicrobia — значительное эволюционное открытие. На последней версии бактериального дерева жизни Elusimicrobia находится очень близко к последнему общему бактериальному предку, который появился 3,6 миллиарда лет назад. Авторы исследования отмечают, что теперь есть основания предполагать, что магнитотактики появились не 3,2 миллиарда лет назад, как считалось ранее, а могли быть одними из самых первых бактерий на нашей планете.

Недавно ученые секвенировали ядерный геном водоросли Prasinoderma coloniale и выяснили, что празинодермы отделились от общего ствола зеленых растений раньше, чем любой из двух существующих отделов. Благодаря этому было принято решение выделить третий отдел зеленых растений — Prasinodermophyta.

Марина Попова