Τα ακραία περιβάλλοντα κωδικοποιούνται στα γονιδιώματα των οργανισμών που ζουν εκεί

Η συζήτησηΤο γονιδίωμα ενός οργανισμού είναι ένα σύνολο οδηγιών DNA που απαιτούνται για την ανάπτυξη, τη λειτουργία και την αναπαραγωγή του. Το γονιδίωμα ενός σημερινού οργανισμού περιέχει πληροφορίες από το ταξίδι του σε ένα εξελικτικό μονοπάτι που ξεκινά με τον «πρώτο παγκόσμιο κοινό πρόγονο» όλης της ζωής στη Γη και καταλήγει σε αυτόν τον οργανισμό.

Κωδικοποιημένο μέσα του, το γονιδίωμα ενός οργανισμού περιέχει πληροφορίες που μπορούν να αποκαλύψουν συνδέσεις με τους προγόνους και τους συγγενείς του.

Άλλες διαστάσεις του γονιδιώματος

Η έρευνά μας διερευνά την υπόθεση ότι το γονιδίωμα ενός οργανισμού θα μπορούσε να περιέχει άλλους τύπους πληροφοριών, πέρα ​​από τη γενεαλογία ή την ταξινόμηση. Ρωτήσαμε: Θα μπορούσε το γονιδίωμα ενός οργανισμού να περιέχει πληροφορίες που θα μας επέτρεπαν να προσδιορίσουμε τον τύπο του περιβάλλοντος στο οποίο ζει ο οργανισμός;

Pitch Lake στο Τρινιντάντ και Τομπάγκο

Τα εξτρεμόφιλα έχουν βρεθεί σε περιβάλλοντα όπως το Pitch Lake στο Τρινιντάντ και Τομπάγκο, το μεγαλύτερο κοίτασμα ασφάλτου στον κόσμο.

Πίστωση εικόνας: Anton_Ivanov/Shutterstock.com

Όσο απίθανο κι αν φαίνεται, η ομάδα ερευνητών της επιστήμης των υπολογιστών και της βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Waterloo και στο Western University διαπίστωσε ότι αυτό ισχύει για τους ακραίοφιλους – οργανισμούς που ζουν και ευδοκιμούν σε εξαιρετικά σκληρές συνθήκες. Αυτές οι περιβαλλοντικές συνθήκες κυμαίνονται από ακραία ζέστη (πάνω από 100°C) έως υπερβολικό κρύο (κάτω από -12°C), υψηλή ακτινοβολία ή ακραίες οξύτητα ή πίεση.

Το DNA ως γλώσσα

Εξετάσαμε το γονιδιωματικό DNA ως ένα κείμενο γραμμένο σε μια «γλώσσα DNA». Ένας κλώνος DNA (ή αλληλουχία DNA) αποτελείται από μια διαδοχή βασικών μονάδων που ονομάζονται νουκλεοτίδια, που συνδέονται μεταξύ τους από μια ραχοκοκαλιά σακχάρου-φωσφορικού. Υπάρχουν τέσσερις τέτοιες διαφορετικές μονάδες DNA: αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη (A,C,G,T).

Αν το δούμε αφηρημένα, μια ακολουθία DNA μπορεί να θεωρηθεί ως μια γραμμή κειμένου, γραμμένη με «γράμματα» από το «αλφάβητο DNA». Για παράδειγμα, το «CAT» θα ήταν η «λέξη DNA» τριών γραμμάτων που αντιστοιχεί στην αλληλουχία DNA τριών μονάδων κυτοσίνη-αδενίνη-θυμίνη.

Στη δεκαετία του 1990, ανακαλύφθηκε ότι μετρώντας τις εμφανίσεις τέτοιων λέξεων DNA σε μια σύντομη ακολουθία DNA που εξήχθη από το γονιδίωμα ενός οργανισμού, μπορούσε κανείς να αναγνωρίσει το είδος του οργανισμού και τον βαθμό της συγγένειάς του με άλλους οργανισμούς στο εξελικτικό «δέντρο». της ζωής.”

Ο μηχανισμός αυτής της αναγνώρισης ή ταξινόμησης ενός οργανισμού με βάση τον αριθμό των λέξεων του DNA είναι παρόμοιος με τη διαδικασία που μας επιτρέπει να διαφοροποιήσουμε ένα αγγλικό βιβλίο από ένα γαλλικό βιβλίο: Παίρνοντας μια σελίδα από κάθε βιβλίο παρατηρούμε ότι το αγγλικό κείμενο έχει πολλές εμφανίσεις η λέξη τριών γραμμάτων «the», ενώ το γαλλικό κείμενο έχει πολλές εμφανίσεις της λέξης τριών γραμμάτων «les».

Σημειώστε ότι το προφίλ συχνότητας λέξεων κάθε βιβλίου δεν εξαρτάται από τη συγκεκριμένη σελίδα που επιλέξαμε να διαβάσουμε και από το αν εξετάσαμε πολλές σελίδες, μια μεμονωμένη σελίδα ή ένα ολόκληρο κεφάλαιο. Ομοίως, το προφίλ συχνότητας των λέξεων DNA σε ένα γονιδίωμα δεν εξαρτάται από τη θέση και το μήκος της αλληλουχίας DNA που επιλέχθηκε για να αντιπροσωπεύσει αυτό το γονιδίωμα.

Εικονογράφηση κλώνου DNA

Ένας κλώνος DNA αποτελείται από μια διαδοχή βασικών μονάδων: αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη (ACGT).

Πίστωση εικόνας: ktsdesign/Shutterstock.com

Το ότι τα προφίλ λέξης-συχνότητας DNA μπορούν να λειτουργήσουν ως «γονιδιωματική υπογραφή» ενός οργανισμού ήταν μια σημαντική ανακάλυψη και, μέχρι τώρα, πίστευαν ότι το προφίλ συχνότητας λέξης DNA ενός γονιδιώματος περιείχε μόνο εξελικτικές πληροφορίες σχετικά με το είδος, το γένος, οικογένεια, τάξη, τάξη, φυλή, βασίλειο ή τομέας στον οποίο ανήκε ο οργανισμός.

Η ομάδα μας ξεκίνησε να ρωτήσει εάν το προφίλ συχνότητας λέξης DNA ενός γονιδιώματος θα μπορούσε να αποκαλύψει άλλα είδη πληροφοριών – για παράδειγμα, πληροφορίες σχετικά με τον τύπο του ακραίου περιβάλλοντος στο οποίο ευδοκιμεί ένα μικροβιακό εξτρεμόφιλο.

Περιβαλλοντικά αποτυπώματα στο ακραίο φιλικό DNA

Χρησιμοποιήσαμε ένα σύνολο δεδομένων με 700 μικροβιακά ακραιόφιλα που ζουν σε ακραίες θερμοκρασίες (είτε ακραία ζέστη είτε κρύο) ή ακραίες συνθήκες pH (έντονα όξινα ή αλκαλικά). Χρησιμοποιήσαμε υπολογιστικές προσεγγίσεις εποπτευόμενης μηχανικής εκμάθησης και μη εποπτευόμενης μηχανικής εκμάθησης για να ελέγξουμε την υπόθεσή μας.

Και στους δύο τύπους περιβαλλοντικών συνθηκών, ανακαλύψαμε ότι μπορούσαμε να ανιχνεύσουμε ξεκάθαρα ένα περιβαλλοντικό σήμα που υποδεικνύει τον τύπο του ακραίου περιβάλλοντος που κατοικεί ένας συγκεκριμένος οργανισμός.

Στην περίπτωση της μη εποπτευόμενης μηχανικής μάθησης, δόθηκε σε έναν «τυφλό» αλγόριθμο ένα σύνολο δεδομένων από ακραιόφιλες αλληλουχίες DNA (και καμία άλλη πληροφορία είτε για την ταξινόμηση είτε για το περιβάλλον διαβίωσής τους). Στη συνέχεια ζητήθηκε από τον αλγόριθμο να ομαδοποιήσει αυτές τις αλληλουχίες DNA σε ομάδες, με βάση τις όποιες ομοιότητες θα μπορούσε να βρει μεταξύ των προφίλ συχνότητας λέξης DNA τους.

Η προσδοκία ήταν ότι όλα τα σμήνη που ανακαλύφθηκαν με αυτόν τον τρόπο θα ήταν κατά μήκος ταξινομικών γραμμών: βακτήρια ομαδοποιημένα με βακτήρια και αρχαία ομαδοποιημένα με αρχαία. Προς μεγάλη μας έκπληξη, αυτό δεν συνέβαινε πάντα και ορισμένα αρχαία και βακτήρια ομαδοποιήθηκαν με συνέπεια, ανεξάρτητα από τους αλγόριθμους που χρησιμοποιούσαμε.

Το μόνο προφανές κοινό που θα μπορούσε να εξηγήσει το ότι θεωρούνται όμοιοι από τους πολλαπλούς αλγόριθμους μηχανικής μάθησης ήταν ότι ήταν ακραίοι που αγαπούσαν τη θερμότητα.

Μια συγκλονιστική ανακάλυψη

Το δέντρο της ζωής, ένα εννοιολογικό πλαίσιο που χρησιμοποιείται στη βιολογία και αντιπροσωπεύει τις γενεαλογικές σχέσεις μεταξύ των ειδών, έχει τρία κύρια μέλη, που ονομάζονται τομείς: βακτήρια, αρχαία και ευκαρία.

Οι ευκαρυώτες είναι οργανισμοί που έχουν πυρήνα συνδεδεμένο με τη μεμβράνη και αυτός ο τομέας περιλαμβάνει ζώα, φυτά, μύκητες και τους μονοκύτταρους μικροσκοπικούς πρωτιστές. Αντίθετα, τα βακτήρια και τα αρχαία είναι μονοκύτταροι οργανισμοί που δεν έχουν πυρήνα δεσμευμένο στη μεμβράνη που περιέχει το γονιδίωμα. Αυτό που διακρίνει τα βακτήρια από τα αρχαία είναι η σύνθεση των κυτταρικών τοιχωμάτων τους.

Δέντρο της ζωής

Ένα σχηματικό δέντρο της ζωής με τις πρωτεύουσες περιοχές, τα αρχαία και τα βακτήρια, που εμφανίζονται με μωβ και μπλε, αντίστοιχα και η δευτερεύουσα περιοχή, Ευκαρυώτες, με πράσινο.

Οι τρεις τομείς της ζωής είναι δραματικά διαφορετικοί μεταξύ τους και, γενετικά, ένα βακτήριο είναι τόσο διαφορετικό από έναν αρχαίο όσο μια πολική αρκούδα (eukarya) από ένα Ε. coli (βακτήρια).

Ως εκ τούτου, η προσδοκία ήταν ότι το γονιδίωμα ενός βακτηρίου και ενός αρχαίου θα ήταν όσο το δυνατόν πιο μακριά μεταξύ τους σε οποιαδήποτε ομαδοποίηση με οποιοδήποτε μέτρο γονιδιωματικής ομοιότητας. Η ανακάλυψή μας για ορισμένα βακτήρια και αρχαία συγκεντρωμένα, προφανώς μόνο και μόνο επειδή είναι και τα δύο προσαρμοσμένα στην ακραία ζέστη, σημαίνει ότι το περιβάλλον ακραίας θερμοκρασίας στο οποίο ζουν προκάλεσε διάχυτες, συστημικές αλλαγές σε όλο το γονιδίωμα στη γλώσσα του γονιδιώματος τους.

Αυτή η ανακάλυψη μοιάζει με την εύρεση μιας εντελώς νέας διάστασης του γονιδιώματος, μιας περιβαλλοντικής, που υπάρχει εκτός από τη γνωστή ταξινομική του διάσταση.

Γονιδιωματικός αντίκτυπος άλλων περιβαλλόντων

Εκτός από απροσδόκητο, αυτό το εύρημα θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στην κατανόησή μας για την εξέλιξη της ζωής στη Γη, καθώς και να καθοδηγήσει τη σκέψη μας στο τι θα χρειαζόταν για να ζήσουμε στο διάστημα.

Pyrococcus furiosus

Pyrococcus furiosusένα θερμόφιλο αρχαίο που ήταν εκπληκτικά ομαδοποιημένο με θερμόφιλα βακτήρια.

Πράγματι, η συνεχιζόμενη έρευνά μας διερευνά την ύπαρξη ενός περιβαλλοντικού σήματος στη γονιδιωματική υπογραφή των ανθεκτικών στην ακτινοβολία εξτρεμόφιλων, όπως π.χ. Deinococcus radioduransπου μπορεί να επιβιώσει από την έκθεση σε ακτινοβολία, καθώς και από το κρύο, την αφυδάτωση, τις συνθήκες κενού και το οξύ, και αποδείχθηκε ότι μπορεί να επιβιώσει στο διάστημα έως και τρία χρόνια.Η συζήτηση

Kathleen A. Hill, Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Βιολογίας, Δυτικό Πανεπιστήμιο και Λίλα Κάρι, Καθηγήτρια Πληροφορικής, Πανεπιστήμιο του Βατερλώ

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *