Геном организма представляет собой набор инструкций ДНК, необходимых для его развития, функционирования и размножения. Геном современного организма содержит информацию о его путешествии по эволюционному пути, который начинается с «первого универсального общего предка» всей жизни на Земле и завершается этим организмом.

Геном организма, закодированный внутри него самого, содержит информацию, которая может выявить связи с его предками и родственниками.

Другие размеры генома

Наше исследование исследует гипотезу о том, что геном организма может содержать и другие типы информации, помимо генеалогии или таксономии. Мы задали вопрос: может ли геном организма содержать информацию, которая позволила бы нам определить тип среды, в которой живет организм?

Как бы маловероятно это ни казалось, наша команда исследователей в области компьютерных наук и биологии из Университета Ватерлоо и Западного университета обнаружила, что это справедливо для экстремофилов — организмов, которые живут и процветают в чрезвычайно суровых условиях. Эти условия окружающей среды варьируются от экстремальной жары (более 100°C) до экстремального холода (ниже -12°C), высокой радиации или экстремальных значений кислотности или давления.

ДНК как язык

Мы рассматривали геномную ДНК как текст, написанный на «языке ДНК». Нить ДНК (или последовательность ДНК) состоит из последовательности основных единиц, называемых нуклеотидами, связанных вместе сахарофосфатным остовом. Таких различных единиц ДНК четыре: аденин, цитозин, гуанин и тимин (A,C,G,T).

С абстрактной точки зрения последовательность ДНК можно рассматривать как строку текста, написанную «буквами» «алфавита ДНК». Например, «CAT» будет трехбуквенным «словом ДНК», соответствующим трехзвенной последовательности ДНК цитозин-аденин-тимин.

В 1990-х годах было обнаружено, что, подсчитав вхождения таких слов ДНК в короткую последовательность ДНК, извлеченную из генома организма, можно определить вид организма и степень его родства с другими организмами на эволюционном «дереве». жизни.»

Механизм этой идентификации или классификации организма на основе подсчета слов ДНК аналогичен процессу, который позволяет нам отличить английскую книгу от французской книги: взяв по одной странице из каждой книги, можно заметить, что в английском тексте много вхождений слов. трехбуквенное слово «the», тогда как во французском тексте часто встречается трехбуквенное слово «les».

Обратите внимание, что профиль частоты слов в каждой книге не зависит от конкретной страницы, которую мы решили прочитать, и от того, рассматривали ли мы несколько страниц, одну страницу или целую главу. Точно так же профиль частоты слов ДНК в геноме не зависит от местоположения и длины последовательности ДНК, которая была выбрана для представления этого генома.

То, что частотные профили ДНК могут действовать как «геномная сигнатура» организма, было важным открытием, и до сих пор считалось, что частотный профиль ДНК генома содержит только эволюционную информацию, относящуюся к виду, роду, семейство, отряд, класс, тип, царство или домен, к которому принадлежал организм.

Наша команда решила задаться вопросом, может ли частотный профиль ДНК генома раскрыть другие виды информации — например, информацию о типе экстремальной среды, в которой процветает микробный экстремофил.

Отпечатки окружающей среды в ДНК экстремофилов

Мы использовали набор данных из 700 микробных экстремофилов, живущих в экстремальных температурах (сильно жарких или холодных) или в экстремальных условиях pH (сильно кислых или щелочных). Для проверки нашей гипотезы мы использовали как контролируемое, так и неконтролируемое машинное обучение.

В обоих типах условий окружающей среды мы обнаружили, что можем четко обнаружить сигнал окружающей среды, указывающий тип экстремальной среды, в которой обитает конкретный организм.

В случае неконтролируемого машинного обучения «слепому» алгоритму был предоставлен набор данных последовательностей ДНК экстремофилов (и никакой другой информации ни об их таксономии, ни об их среде обитания). Затем алгоритму было предложено сгруппировать эти последовательности ДНК в кластеры на основе любых сходств, которые он мог найти среди их частотных профилей ДНК.

Ожидалось, что все кластеры, обнаруженные таким образом, будут соответствовать таксономическим линиям: бактерии сгруппированы с бактериями, а археи сгруппированы с архей. К нашему большому удивлению, это было не всегда так, и некоторые археи и бактерии последовательно группировались вместе, какие бы алгоритмы мы ни использовали.

Единственная очевидная общность, которая могла объяснить их сходство с точки зрения нескольких алгоритмов машинного обучения, заключалась в том, что они были теплолюбивыми экстремофилами.

Шокирующее открытие

Древо жизни — концептуальная основа, используемая в биологии и представляющая генеаологические связи между видами, — состоит из трех основных частей, называемых доменами: бактерий, архей и эукариев.

Эукариоты — это организмы, имеющие мембраносвязанное ядро, и этот домен включает животных, растения, грибы и одноклеточные микроскопические протисты. Напротив, бактерии и археи представляют собой одноклеточные организмы, не имеющие мембраносвязанного ядра, содержащего геном. Бактерии от архей отличает состав их клеточных стенок.

Три области жизни резко отличаются друг от друга, и генетически бактерия отличается от археи так же, как белый медведь (эукария) отличается от кишечной палочки (бактерии).

Поэтому ожидалось, что геномы бактерии и археи будут находиться как можно дальше друг от друга при любой кластеризации по любой мере геномного сходства. Наше обнаружение некоторых бактерий и архей, сгруппированных вместе, по-видимому, только потому, что они оба адаптированы к экстремальной жаре, означает, что экстремальная температура окружающей среды, в которой они живут, вызвала повсеместные, общегеномные, системные сдвиги в их геномном языке.

Это открытие сродни обнаружению совершенно нового измерения генома, экологического, существующего в дополнение к его хорошо известному таксономическому измерению.

Геномное воздействие других сред

Помимо того, что это открытие является неожиданным, оно может иметь значение для нашего понимания эволюции жизни на Земле, а также направить наши размышления о том, что нужно, чтобы жить в космическом пространстве.

Действительно, наши текущие исследования изучают существование сигнала окружающей среды в геномной сигнатуре радиационно-устойчивых экстремофилов, таких как Deinococcus radiodurans, которые могут пережить радиационное воздействие, а также холод, обезвоживание, условия вакуума и кислоту, и, как было показано, смогут выжить в космическом пространстве до трех лет.

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.