Megtalálták a legmagányosabb fajt

Amerikai kutatók 2,8 kilométer mélyen a földfelszín alatt fölfedezték a világ első olyan ökoszisztémáját, amelyet egyetlen biológiai faj - egy baktérium - alkot. A Desulforudis audaxviator nevű pálcika alakú organizmus teljes elszigeteltségben, sötétségben, oxigén nélkül, 60 Celsius-fokon tenyészik a dél-afrikai Mponeng aranybányában, Johannesburg közelében.

Mintavétel egy dél-afrikai bánya mélyén

A D. audaxviator az úgynevezett extremofil (a rendkívül szélsőséges körülményeket elviselő, sőt kedvelő) baktériumok közé tartozik. A létfenntartásához szükséges energiát nem a Napból, hanem az urán radioaktív bomlása során keletkező hidrogénből és szulfátból nyeri. A különféle radioaktív anyagok (főképp a tórium, az urán és a kálium) bomlása következtében a kőzetek repedéseiben, pórusaiban lévő vízből ugyanis hidrogén és oxigén keletkezik, a kéntartalmú ásványokból pedig különféle kénvegyületek (például szulfátok) szabadulnak fel. A D. audaxviator az eddigi vizsgálatok alapján egyedül él, így kénytelen saját maga felépíteni a szerves molekulákat a környező kőzetekben található vízből, szervetlen szénből, valamint az ammónia nitrogénjéből.

A mélybe vezető hosszú vándorútja folyamán az evolúció olyan génekkel vértezte fel ezt a sokoldalú élőlényt, amelyek segítségével meg tud birkózni a különböző környezeti hatások rendkívül széles skálájával. Így például képes közvetlenül megkötni a környezetében található elemi nitrogént. Génjeinek jó része közös az élővilág háromdoménes rendszerében a baktériumoktól elkülönült domént ("birodalmat") alkotó archaeák génjeivel (ejtsd: arhéák, lásd a keretes írást).

Genomelemzés metagenomikával

A D. audaxviator szokatlan genomját (örökítő információját) a környezeti genomika vagy más néven metagenomika módszereivel szekvenálták és elemezték több amerikai intézet és egyetem, valamint a Taiwani Nemzeti Egyetem kutatói. A metagenomika lényege, hogy a természetes környezetből vett mintákban található örökítőanyagot vizsgálja. Így lehetővé válik olyan mikroorganizmusok és más élőlények genetikai kutatása, amelyeket nem vagy csak nagyon nehezen lehetne tanulmányozni a laboratóriumokban.

A Desulforudis audaxviator mikroszkópos képe

"A környezeti genomikában az a rendkívüli, hogy lehetővé teszi egy sokkal összetettebb kép kialakítását a Földön mindenütt jelenlévő mikroszkopikus életről. Nem korlátozódik a laboratóriumokban tenyészthető mikroorganizmusok rendkívül kis hányadára" - mondja Dylan Chivian, a Berkeley Laboratórium Fizikai Biológiai Részlegének (Physical Biosciences Division) munkatársa, a Science folyóiratban publikált mostani kutatások vezető szerzője. "Szinte minden organizmus olyan közösségekben él, amelynek jól körülhatárolt szerepe van az ökoszisztémájában. A környezeti mintákból származó DNS kivonásával meghatározhatók e mikrobiális közösségek különböző résztvevői és a domináns tagjaik képességei még akkor is, ha többségükből lehetetlen teljes genomokat elkülöníteni."

A kutatók arra számítottak, hogy ilyen "mikroorganizmus-gyűjteményt" találnak majd, amikor fáradságos munkával átszűrték azt a nagyjából 5600 liternyi folyadékot, amelyet a Mponeng bánya 104. szintjének egy újonnan megnyitott szakaszán, az MP104-es helyen lévő kőzetek repedéseiből gyűjtöttek. A később D. audaxviator névre keresztelt faj jelenlétében biztosak voltak. Noha a mikroorganizmus genomját korábban még nem szekvenálták, már 2006-ban azonosították új fajként az MP104-es helyen. Az is tudott volt, hogy a legelterjedtebb 1,5 kilométernél mélyebben élő mikroba a dél-afrikai Witwatersrand bányavidéken.

"Az ezekben a bányákban végzett korábbi munkákból - amelyekhez molekuláris biológiai eljárásokat használtunk - tudtuk, hogy minden jel szerint nagyon egyszerű közösségek élnek a mélyben" - mondta Fred Brockman, a Pacific Northwest National Laboratory Biológiai Részlegének munkatársa. Ebben a laboratóriumban vonták ki a DNS-t az átszűrt sejtekből. "Arra számítottunk, hogy jó eséllyel összeállíthatjuk az uralkodó faj teljes genomját."

Egyetlen genomba csomagolható az élet

A kutatók azonban egészen mást fedeztek föl, mint amire számítottak. Kiderült, hogy a mintákban csupán egyetlen organizmus található. A DNS több mint 99,9 százaléka egyetlen mikroorganizmusból, a D. audaxviatorból származott, a fennmaradó jelentéktelen rész pedig a bányából és a laboratóriumból származó szennyeződésnek bizonyult.

A genom elemzésének előrehaladtával az is egyre világosabbá vált, hogy nem "szokványos" örökítőanyagról van szó. Egy feltehetőleg stabil környezetben élő organizmus genomját sokkal egyszerűbbnek gondolták a kutatók. Az ilyen baktériumoknak jellemzően nagyjából 1500 génjük van, a D.audaxviatornak azonban 2157 fehérjét kódoló génnel rendelkezik.

A genomanalízis föltárta, mire szolgál ez a minimalistának nem nevezhető génkészlet. A genomban minden megtalálható, ami a mikroorganizmus független létéhez és szaporodásához szükséges. Ez kódolja többek között az élethez nélkülözhetetlen szervetlen anyagok beépítését, a szabadon mozgást, a vírusok elleni védelmet, a szélsőséges körülmények és a táplálékszegény periódusok átvészelésére szolgáló spóra állapot kialakulását.

Egyetlen dolog van, amire nincs fölkészülve a D. audaxviator: nem bírja elviselni az oxigén jelenlétét. Ez arra utal, hogy nagyon hosszú idő óta nem volt kitéve oxigénnek. Az evolúció folyamán egyébként rendkívül rugalmas genomja alakult ki a baktériumnak. A genom fő részei közösek az archaeák genomjával. A jelentősebb eltérések valószínűleg az alatt a hosszú utazás alatt alakultak ki, amíg az organizmus eljutott mai élőhelyére - talán ugyanannyi idő, sok millió év alatt, amíg a víz eljutott azokba a repedésekbe, ahonnan a baktériumot begyűjtötték.

A mikroorganizmus érdekes választ ad arra a kérdésre is, lehet-e élet olyan bolygókon, ahol az organizmusok egymástól függetlenül léteznének, anélkül, hogy akár a napenergiához hozzájutnának, mondta Chivian. A válasz szerinte egyértelmű igen, és itt a bizonyíték. "Filozófiai szempontból is izgalmas tudni azt, hogy az élethez szükséges minden kellék becsomagolható egyetlen genomba."

Archaeák és az élővilág háromdoménes rendszere

Az élővilág három nagy birodalma (doménje). A rendszert Carl Woese dolgozta ki a múlt század második felében. Az élővilág filogenetikus osztályozásának legmagasabb egységeit az archaeák (Archaea), a baktériumok (Bacteria) és az eukarióták alkotják.

Az archaeák és a baktériumok csoportja a korábbi prokarióták kettéválasztásával jött létre. Az archaeák felépítése hasonló a baktériumokéhoz, de elkülönítésüket számos jellemzőjük indokolja. Ezek közé tartozik például, hogy genetikai anyaguk átírása (transzkripció) és "lefordítása" (transzláció) sok szempontból az eukarióta szervezetekben megfigyeltekhez hasonló, valamint az archaeák lipidjeinek szerkezete eltér mind a baktériumokban, mind az eukariótákban található lipidekétől. Az archaeákra korábban szinte kizárólag extrém - például szélsőségesen forró, oxigénhiányos - környezetekben bukkantak rá, de a tudósok újabban egyre több "normális" környezetben élő archaeát fedeznek föl.