Os pesquisadores quantificam a taxa de processo evolutivo essencial no oceano

O movimento de materials genético entre organismos que não estão diretamente relacionados é um fator significativo da evolução, especialmente entre organismos de célula única, como bactérias e archaea. Uma equipe liderada por pesquisadores do Bigelow Laboratory for Ocean Sciences agora estimou que uma linha celular média adquire e retém aproximadamente 13% de seus genes a cada milhão de anos por meio desse processo de transferência lateral de genes. Isso equivale a cerca de 250 genes trocados por litro de água do mar todos os dias.

O novo estudo, publicado recentemente em O ISME Journalfornece a primeira análise quantitativa das taxas de transferência de genes em todo um microbioma. Ele questiona as rigorosas linhas de classificação traçadas entre espécies individuais. Ele também confirma que muitos genes transferidos têm benefícios ecológicos diretos, destacando como esse processo permite que os micróbios se adaptem a novos ambientes e os forneça com capacidades valiosas, como a capacidade de acessar nutrientes essenciais.

“Todos os processos que os micróbios dirigem em nosso planeta evoluíram, e que a evolução, em grande parte, é impulsionada por Transferência de genes lateraismas o processo é muito difícil de estudar, e ninguém conseguiu colocar números no processo “, disse o cientista de pesquisa sênior do Bigelow Laboratory Ramunas Stepanauskas, principal autor do estudo.” Sabemos em geral como funciona, mas não tivemos idéia se você toma uma gota de água do mar, é trocada uma vez uma vez ou uma vez ou uma vez ou uma vez ou uma vez por um milhão? Isso period completamente desconhecido – até agora. “

Os genes podem ser transferidos lateralmente através de vários mecanismos, incluindo a captação de materials genético flutuante no ambiente, transferência direta entre células e a injeção de DNA estranho em um hospedeiro por um vírus.

Os cientistas lutaram para quantificar esses processos, porém, dada a imensa diversidade da vida microbiana. As abordagens tradicionais de “árvore evolutiva” podem ser usadas para estudar a transferência de genes específicos e generalizados – um punhado de cada vez -, mas são impraticáveis ​​para o estudo de um ecossistema inteiro. Da mesma forma, o método comum para estudar genomas microbianosmetagenômica, obras de união de conjuntos de genes “típicos” relacionados, o que significa que exclui ativamente genes transferidos que são raros ou vêm de organismos não relacionados.

Avanços na modelagem computacional e genômica únicaporém, permitiram aos cientistas começarem a responder a essas perguntas.

A equipe usou genomas de 12.000 células microbianas amostras aleatoriamente da superfície tropical e subtropical Ocean sequenciada pela equipe de Stepanauskas no Centro de Genomics de Células únicas (SCGC). O conjunto de dados exclusivo é uma das maiores compilações de genomas microbianos já produzidos. Eles compararam a distribuição de genes compartilhados nesse sentido do mundo actual com um modelo de computador que assumiu que os genes só podem ser transferidos verticalmente entre pais e filhos, não lateralmente.

“Este projeto foi uma oportunidade emocionante de pensar de maneira diferente sobre como medir um processo evolutivo essencial, mas ilusório, que molda o componente microbiano dos ecossistemas em todo o mundo”, disse Siavash Mirarab, professor da UC San Diego e co-autor do estudo cuja equipe liderou o desenvolvimento do modelo.

A abordagem confirmou que a maioria dos genes é trocada entre células intimamente relacionadas, mas não todas. Alguns genes com valor ecológico óbvio podem ser transferidos com sucesso entre micróbios que estão tão distantes entre si como humanos a cangurus. Por exemplo, eles encontraram evidências de micróbios adquirindo novos genes que lhes permitem captar novas fontes de fósforo no mar de Sargasso com limites de fósforo.

Os achados também mostram evidências da troca de genes que codificam o RNA ribossômico, a maquinaria celular responsável pela síntese de proteínas. Isso, disse Stepanauskas, period surpreendente, pois esses genes são frequentemente usados ​​como métricas para diversidade biológica Exatamente porque os cientistas assumiram que não estavam envolvidos em transferência lateral.

No futuro, a equipe espera expandir essa abordagem para novos ambientes e separar as diferenças entre linhagens, mecanismos de transferência e ecossistemas. Esse trabalho pode ter implicações significativas de biotecnologia, revelando como a natureza engenharia de maneira eficaz e rápida células para diferentes ambientes e processos. Para esse fim, o SCGC está melhorando e ampliando continuamente seus recursos analíticos para permitir os estudos em larga escala que o trabalho exigirá.

“Responder a essas perguntas pode ter se twister possível, mas apenas se pudermos continuar melhorando nosso package de ferramentas de modelagem”, disse Micarab.

“Eu vejo isso apenas o começo”, acrescentou Stepanauskas. “Finalmente, temos dados suficientes para começar a fazer esse tipo de análise quantitativa, mas ainda precisamos ir muito além para dizer com que frequência os tipos específicos de micróbios o fazem, quais processos estão envolvidos e como podemos usar esse conhecimento em mordomia ambiental e bioeconomia”.