Биологи описали последнего общего предка всех бактерий

В середине 2010-х команда профессора Уильяма Мартина, главы Института молекулярной эволюции при Университете Генриха Гейне (Дюссельдорф, Германия), определила набор из 355 генов и описала физиологию и среду обитания последнего универсального общего предка (LUCA) — последней популяции организмов, от которой произошло все живое не Земле. По разным оценкам, предок жил примерно 3,48-4,5 миллиарда лет назад и не оставил нам никаких ископаемых остатков.

Теперь та же научная группа решила изучить последнего общего предка бактерий (last bacterial common ancestor, LCBA). Работа опубликована в журнале Communications Biology.

Среди всех микроорганизмов на Земле бактерии не только наиболее многочисленны, но и составляют самую разнообразную область с точки зрения физиологии и метаболизма. Изотопные сигнатуры прослеживают их автотрофию на 3,9 миллиарда лет назад. Основываясь на универсальности генетического кода, хиральности аминокислот, ученые считают, что последний универсальный общий предок предшествовал расхождению бактерий и архей. Поскольку бактериальный и архейный домены монофилетические — происходят от одного прародительского вида, — есть доказательства наличия одного явного предка для каждого домена. Их и назвали последним общим предком бактерий и последним общим предков архей.

Чтобы определить генетический код LBCA, его свойства и историю, биологи анализировали геномы анаэробных бактерий, способных жить и развиваться в отсутствие свободного кислорода. «Отказ от аэробов (нуждаются в свободном молекулярном кислороде для процессов синтеза энергии, в отличие от анаэробов; к ним относят подавляющее большинство животных, все растения и значительную часть микроорганизмов. — Прим. ред.) имел для нас смысл, — объяснила доктор Джоана Ксавье, ведущий автор исследования. — Если бактерии возникли в то время, когда Земля была бескислородной, то и нет смысла исследовать их происхождение, учитывая виды, полные адаптаций, вызванных кислородом».

Известно, что высшие формы жизни — существа, достигшие высшей ступени эволюции — наследуют генетический код от родителей к потомкам при помощи вертикального переноса генов, то есть по итогу геном будет предоставлять информацию о филогенетической истории. Однако бактериям свойственен другой процесс передачи генетического материала — латеральный (или горизонтальный) перенос организму-непотомку. Благодаря этому бактерии способны обмениваться генетической информацией между разными штаммами, но здесь кроется и серьезная проблема для ученых: при помощи традиционных филогенетических методов невозможно установить корень в древе эволюции бактерий.

Чтобы обойти это препятствие, авторы новой работы использовали биохимические сети вместе с тысячами отдельных филогенетических деревьев: они изучили 1089 эталонных геномов анаэробных бактерий, содержащих 2 465 582 белковых последовательностей. Затем их сгруппировали в 114 326 семейств: как оказалось, 146 семейств белков имели по крайней мере одну последовательность, присутствующую во всех 25 проанализированных основных таксономических группах. Таким образом, они формировали почти полную базовую метаболическую сеть.

Для завершенного понимания биохимии LCBA потребовалось еще девять генов: тогда реконструированная совокупность физических процессов, определяющих физиологические и биохимические свойства клетки, включала все основные и универсальные метаболиты. Чтобы быть полностью независимой и самогенерируемой, сети LBCA все равно потребуются дополнительные гены, унаследованные от последнего универсального общего предка — LUCA — и питательные вещества из окружающей среды.

Получив представление о метаболической сети общего предка бактерий, биологи определили, какие из современных бактериальных групп больше других похожи на LBCA. «Анализ показал, что самая ранняя ветвь бактерий, которая расходилась, была наиболее схожа с современными клостридиями, за которыми следовали протобактерии Deltaproteobacteria, актинобактерии и некоторые представители Aquifex (вид палочковидных одноклеточных бактерий длиной от двух до шести микрометров и диаметром около 0,5 микрометра. — Прим. ред.) Обычно эти группы имеют ацетил-КоА путь (метаболический путь, серия биохимических реакций, используемых некоторыми анаэробными хемолитоавтотрофными бактериями и археями-метаногенами для фиксации СO₂ и получения энергии. — Прим. ред.)», — рассказал Фернандо Триа, один из авторов исследования.

Как объяснили ученые, восстановительный ацетил-КоА путь — единственный способ фиксации углерода, позволяющий организмам использовать водород как донора электронов, а диоксид углерода — как акцептора и строительной блок для биосинтеза органических молекул. Он свойственен как археям, так и бактериям, а еще открывает путь к общему универсальному предку всего живого.

«Мы можем с уверенностью сказать, что LBCA, был автотрофным, глюконеогенетическим и палочковидным, — добавляет Ксавье. — Если бы он был похож на клористидий, возможно, LBCA смог спорулировать». Такую гипотезу недавно предложили другие исследователи, и она согласуется с новыми результатами: формирование невероятно устойчивых спор и позволило ранним микроорганизмам выжить в суровых условиях молодой Земли.