Российские ученые восстановили геномы ранее неизвестных бактерий из вечной мерзлоты
Ученые Тюменского госуниверситета (ТюмГУ) совместно с коллегами из Института клеточного и внутриклеточного симбиоза УрО РАН восстановили геномы более сотни ранее неизвестных бактерий из вечной мерзлоты и современных почв севера Западной Сибири. Оказалось, что мерзлые толщи возрастом до 40 тысяч лет таят в себе не только уникальные формы жизни, но и богатейший арсенал биосинтетических генов — потенциальных источников новых лекарств.
Более 99 % микроорганизмов невозможно вырастить в лаборатории. Эту часть микробного мира ученые называют «микробной темной материей», по аналогии с темной материей в астрофизике. С появлением технологии сборки геномов (MAG) на основе метагеномных данных стало возможным «выудить» из общего генетического «котла» отдельные геномы некультивируемых микробов и изучать их так, будто их вырастили в чашке Петри. Именно этим и занимались авторы работы.
Образцы собирали в Надымском районе Ямало-Ненецкого автономного округа, примерно в 100 км к югу от Полярного круга. Исследователи работали с современными почвами (бывшие пашни, заброшенные 17–29 лет назад), подзолы, торфяники, и с кернами буровых скважин. Радиоуглеродное датирование показало, что этим отложениям — от 10 до 40 тыс. лет, они сформировались в раннем голоцене и каргинском межледниковье.
Из образцов удалось получить колоссальный объем данных — 304 Гб метагеномных данных. Однако ни один из более чем сотни реконструированных геномов не удалось отнести к известному виду бактерий. При этом доля известных родов в древней мерзлоте составила всего 6 %, тогда как в современных почвах это показатель составляет 47 %. По мнению ученых, это означает, что мерзлота хранит целый пласт неизученной микробной жизни.
Ученые проанализировали биосинтетические генные кластеры — участки ДНК, которые кодируют синтез природных соединений: антибиотиков, пигментов, сигнальных молекул. Оказалось, что разнообразие таких кластеров в мерзлоте значительно выше, чем в современных почвах.
«Мы впервые получили геном-разрешенную картину микробного мира западносибирской мерзлоты. Это расширяет глобальный каталог микробного разнообразия и помогает понять, как жизнь адаптируется к экстремальным условиям. Кроме того, мерзлота — это «природный банк» генетического разнообразия. Многие найденные кластеры не имеют аналогов среди известных соединений. Это потенциальные источники новых антибиотиков, противогрибковых препаратов и стресс-протекторов», — рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией антимикробной резистентности Института экологической и сельскохозяйственной биологии (X-BIO) ТюмГУ Алексей Васильченко.
Авторы считают, что древние микробы помогут создавать новые лекарства. Так, среди находок были кластеры генов для синтеза вещества напоминающего даробактин — открытого в 2019 году нового мощного антибиотика против грамотрицательных бактерий.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России по программе «Приоритет-2030» нацпроекта «Молодежь и дети».