ИСТИНА

Работа представляет собой совместный проект кафедры микробиологии биологического факультета МГУ и Центра "Биоинженерия" РАН. Детальный анализ ряда генов углеродного метаболизма и энергетического обмена, выявленных в ходе первичной аннотации геномной ДНК впервые описанной и просеквенированной нами аноксигенной нитчатой фотосинтезирующей бактерии Oscillochloris trichoides DG6, выявил несколько парадоксальных особенностей организации генома, прямо противоречащих исследованным фенотипическим свойствам данной бактерии являющейся строгим анаэробом и ассимилирующим СО2 через цикл Кальвина. В их число входит наличие в геноме Osc. trichoides полноразмерных генов, отвечающих за проявление физиологических свойств, не свойственных фенотипу данной бактерии, а именно: ген цитохромоксидазы, гены ключевых ферментов 3 гидрокспропионатного цикла автотрофной фиксации углерода, а также 2 оксоглутаратдегидрогеназы и изоцитратлиазы - ферментов цикла трикарбоновых кислот и глиоксилатного шунта отсутствующие у фото и хкмолитоавтотрофов. Далее, наблюдается парадоксальное противоречие между размером генома Osc. trichoides , который характерен для фотоорганотрофных бактерий и тем фактом, что Osc. trichoides является строгим фотолитоавтотрофным и анаэробным организмом. Детальная проверка физиолого биохимических свойств Osc. trichoides, включая сравнительные исследования клеточной стенки и ключевых ферментов углеродного, азотного и энергетического метаболизма, вкупе с мульплексным филогенетическим анализом основных функциональных маркерных генов представителей аноксигенных фототрофных нитчатых бактерий для которых доступны данные по полному сиквенсу геномов - Chloroflexus Heliothrix, Roseiflexus и Oscillochloris, позволит выявить эволюционное значение значительного числа криптических генов в геноме Osc. trichoides и проверить недавно высказанное предположение о том, что представители аноксигенных нитчатых фототрофных бактерий являются эволюционными предшественниками всех основных линий современных фотосинтезирующих бактерий, включая цианобактерии, и занимают на универсальном дереве жизни позицию, наиболее близкую к его корням.

По данным сиквенса 16S рРНК так и широкого спектра различных белков группа аноксигенных нитчатых фототрофных бактерий располагается у самого корня универсального филогенетического дерева. Это означает, что они являются наиболее древними представителями фототрофов, что позволяет рассматривать их в качестве предшественников современных фототрофных бактерий. Основной задачей проекта было предложить сценарий эволюции аноксигенных нитчатых фототрофных бактерий и положения в ней Osc. thrichoides DG 6. С этой целью с использованием данных по полному сиквенсу генома Osc. thrichoides DG 6 (Kuznetsov, Ivanovsky 2011) и доступным полным сиквенсам геномов представителей порядка Chloroflexales был осуществлен сравнительный филогенетический анализ: 1 - нуклеотидной последовательностей генов 16S рРНК; 2 – конкатенированной аминокислотной последовательности белков фотохимического аппарата, включая белки фотохимического реакционного центра и биосинтеза бактериохлорофиллов; 3. конкатенированной аминокислотной последовательности белков углеродного метаболизма включая белки автотрофной ассимиляции СО2 в цикле Кальвина, 3 гидроксипропионатном цикле и цикле трикарбоновых кислот; 4. конкатенированной аминокислотной последовательности белков фотосинтетической и дыхательной цепи переноса электронов. На основании этих данных была осуществлена реконструкция указанных метаболитических систем. Энзиматический анализ показал что: 1- Osc. thrichoides DG 6 обладает фотохимическим реакционным центром хинонного типа (RCII), гены которого в последствии наследуются пурпурными фототрофными бактериями и в качестве фотосистемы II цианобактериями, водорослями и растениями. 2-автотрофная ассимиляция СО2 у Osc. thrichoides DG 6 осуществляется через цикл Кальвина. 3- Osc. thrichoides DG 6 обладает рядом генов, кодирующих ферменты 3 гидроксипропионатного цикла, которые, однако, не экспрессируются в процессе фотоавтотрофного роста. 4-фотосинтетическая цепь переноса электронов Osc. thrichoides DG 6 содержит альтернативный ACIII комплекс, который в процессе эволюции у фототрофных бактерий и цианобактерий заменяется на bc1 и b6f соответственно. 5- в геноме Osc. thrichoides DG 6 обнаружены cox-гены цитохромоксидазного комплекса, которые, однако, также как и гены 3 гидроксипропионатного цикла не экспрессируются поскольку Osc. thrichoides DG 6 является строгим анаэробом. На этом основании эти гены можно рсссматривать как «молчащие». Суммируя результаты сравнительного филогенетического анализа геномов аноксигенных нитчатых фототрофных бактерий, данные энзиматического анализа и экофизиологические характеристики рассматриваемых бактерий была предложена следующая модель эволюции аноксигенных нитчатых фототрофных бактерий порядка Chloroflexales и положения в ней семейства Chloroflexaceae, к которому принадлежит Osc. thrichoides DG 6. Предковые виды аноксигенных нитчатых фототрофных бактерий не имели хлоросом и содержали бактериохлорофилл а в качестве единственного бактериохлорофилла. Они осуществляли фотогетеротрофный тип питания с использованием 3 гидроксипропионатного цикла. Первое эволюционное событие, приведшее к разделению на ‘красную’ (Roseiflexineae) и ‘зеленую’ (Chloroflexineae) группы было связано с приобретением предковой формой блоков генов, кодирующих формирование хлоросом (CsmA гены) и синтеза бактериохлорофилла с. При этом современные виды Roseiflexineae сохранили предковые особенности - отсутствие хлоросом, бактериохлорофилл а в качестве единственного бактериохлорофилла светособирающей антенны и фотогетеротрофный способ питания. Второе эволюционное событие было связано с приобретением блока генов цикла Кальвина, генов bchQ/bchR кодирующих метилазу бактериохлорофиллида d, утратой части генов 3 гидроксипропионатного цикла и способности к аэробному росту. Неспособность Osc. trichoides DG-6 расти в аэробных условиях, привела к утрате гена acsF, кодирующего кислородзависимую Mg протопорфирин моноэтилциклазу. В результате выделилась группа бактерий, принадлежащих к семейству Oscillochloridaceae к которой принадлежит Osc. trichoides DG-6. Третьим эволюционным событием явилась дивергенция видов семейства Oscillochloridaceae от Chlorothrix halophila в результате адаптации последнего к существованию в галофильных биотопах.