Когда Костас Константинидис доказал, что многие микробы, подобно растениям и животным, объединены в виды, он перевернул давно устоявшееся научное представление. Ученые считали, что бактерии из-за уникальных механизмов генетического обмена и огромных размеров глобальных популяций не образуют — и не могут образовать — отдельные виды. Новое исследование Константинидиса и его коллег в очередной раз опровергает это представление. Ученые предполагают, что бактерии не только образуют виды, но и поддерживают их целостность с помощью процесса, который в некотором роде является «половым».
«Следующий вопрос для нас заключался в том, как отдельные микробы одного вида поддерживают свою целостность. Другими словами, как бактерии остаются похожими друг на друга?» — говорит Константинидис, профессор из Школы гражданского и экологического строительства Технологического института Джорджии.
Считается, что бактерии и другие микроорганизмы развиваются в основном путем бинарного деления, то есть бесполого размножения, при этом генетический обмен происходит нечасто. Используя новый биоинформационный метод для обнаружения переноса генов, а также массив данных о целых геномах, Константинидис и международная группа исследователей проверили свою гипотезу о том, как возникают и поддерживаются виды. Они обнаружили, что бактерии развиваются и образуют виды более «половым» путем, чем считалось ранее.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Чтобы выяснить, как виды микроорганизмов сохраняют свою индивидуальность, команда проанализировала полные геномы микробов двух природных популяций. Ученые собрали и секвенировали более 100 штаммов Salinibacter ruber (микроба, любящего соль) из солнечных солончаков в Испании. Затем был проанализирован ранее опубликованный набор геномов кишечной палочки, выделенной с животноводческих ферм в Великобритании.
Специалисты сравнили геномы близкородственных микробов, чтобы увидеть, как происходит обмен генами. Они обнаружили, что процесс, называемый «гомологичной рекомбинацией», играет важную роль в сохранении единства видов микроорганизмов. Гомологичная рекомбинация происходит, когда микробы обмениваются друг с другом ДНК и встраивают новую ДНК в свой геном, заменяя ею свою собственную аналогичную ДНК. Исследователи заметили, что рекомбинация происходит часто и случайным образом по всему геному микробов, а не только в определенных областях.
«Это может кардинально отличаться от полового размножения у животных, растений, грибов и небактериальных организмов, где обмен ДНК происходит во время мейоза, но результат с точки зрения единства вида может быть аналогичным», — говорит Константинидис. «Постоянный обмен генетическим материалом действует как связующая сила, сохраняя сходство между представителями одного вида».
Исследователи также заметили, что представители одного вида чаще обмениваются ДНК друг с другом, чем с представителями других видов, что еще больше способствует формированию четких видовых границ. «Эта работа решает важную и давнюю проблему микробиологии, которая актуальна для многих областей исследований», — сказал Константинидис. «Это проблема определения видов и лежащих в их основе механизмов взаимодействия».
Исследование имеет значение для нескольких областей, от экологии и эволюции до медицины и здравоохранения, и предлагает ценные идеи для идентификации, моделирования и регулирования клинически или экологически важных организмов. Методология, разработанная в ходе работы, также предоставляет молекулярный инструментарий для будущих эпидемиологических исследований и изучения микроразнообразия.
