_ Mediile extreme sunt codificate în genomul organismelor care trăiesc acolo, cercetările sugerează

Genomul unui organism este un set de instrucțiuni ADN necesare pentru dezvoltarea, funcționarea și reproducerea acestuia. Genomul unui organism de astăzi conține informații din călătoria sa pe o cale evolutivă care începe cu „primul strămoș comun universal” al întregii vieți de pe Pământ și culminează cu acel organism.

Codificat în sine, un genomul organismului conține informații care pot dezvălui conexiuni cu strămoșii și rudele săi.

Cercetarea noastră explorează ipoteza că genomul unui organism ar putea conține alte tipuri de informații, dincolo de genealogie sau taxonomie. Am întrebat: ar putea genomul unui organism să conțină informații care să ne permită să determinăm tipul de mediu în care trăiește organismul?

Oricât de puțin probabil pare, echipa noastră de cercetători în informatică și biologie de la Universitate de la Waterloo și de la Universitatea Western au descoperit că este cazul extremofililor - organisme care trăiesc și prosperă în condiții extrem de dure. Aceste condiții de mediu variază de la căldură extremă (peste 100°C) la frig extrem (sub -12°C), radiații mari sau extreme în aciditate sau presiune.

Ne-am uitat la ADN-ul genomic ca pe un text scris în un „limbaj ADN”. O catenă de ADN (sau secvență de ADN) constă dintr-o succesiune de unități de bază numite nucleotide, legate între ele printr-o coloană vertebrală de zahăr-fosfat. Există patru astfel de unități ADN diferite: adenină, citozină, guanină și timină (A,C,G,T).

Vzut în mod abstract, o secvență de ADN poate fi gândită ca o linie de text, scrisă cu „litere” din „alfabetul ADN”. De exemplu, „CAT” ar fi „cuvântul ADN” de trei litere corespunzător secvenței de ADN de trei unități citozină-adenină-timină.

În anii 1990, s-a descoperit că, numărând aparițiile unor astfel de Cuvinte ADN într-o secvență scurtă de ADN extrasă din genomul unui organism, s-ar putea identifica speciile organismului și gradul de relație a acestuia cu alte organisme în „arborele vieții” evolutiv.

Mecanismul. Această identificare sau clasificare a unui organism pe baza numărului de cuvinte ADN este similară cu procesul care ne permite să diferențiem o carte în limba engleză de o carte franceză: By taking one page from each book one notices that the English text has many occurrences of the three -cuvântul cu litere „the”, în timp ce textul francez are multe apariții ale cuvântului cu trei litere „les”.

Rețineți că profilul de frecvență al cuvintelor fiecărei cărți nu depinde de pagina specială pe care am ales-o de citit și dacă am luat în considerare mai multe pagini, o singură pagină sau un întreg capitol. În mod similar, profilul de frecvență al cuvintelor ADN dintr-un genom nu depinde de locația și lungimea secvenței ADN care a fost selectată pentru a reprezenta acel genom.

Aceste profiluri de frecvență a cuvintelor ADN pot acționa ca un „semnătura genomică” a unui organism a fost o descoperire semnificativă și, până în prezent, se credea că profilul de frecvență a cuvintelor ADN al unui genom conținea doar informații evolutive referitoare la specie, gen, familie, ordine, clasă, filum, regat sau domeniul căruia îi aparținea organismul.

Echipa noastră și-a propus să se întrebe dacă profilul de frecvență a cuvintelor ADN al unui genom ar putea dezvălui alte tipuri de informații, de exemplu, informații referitoare la tipul de mediu extrem pe care un microbian. extremofilul prosperă.

Am folosit un set de date de 700 de extremofili microbieni care trăiesc în temperaturi extreme (fie căldură sau frig extremă) sau condiții de pH extreme (puternic acide sau alcaline). Am folosit atât abordări computaționale de învățare automată supravegheată, cât și învățare automată nesupravegheată pentru a ne testa ipoteza.

În ambele tipuri de condiții de mediu, am descoperit că am putea detecta în mod clar un semnal de mediu care indică tipul de mediu extrem al unui anumit organism. locuit.

În cazul învățării automate nesupravegheate, unui algoritm „orb” i s-a oferit un set de date de secvențe de ADN extremofil (și nicio altă informație despre taxonomia sau mediul lor de viață). Algoritmului i s-a cerut apoi să grupeze aceste secvențe de ADN în grupuri, pe baza oricăror asemănări pe care le-ar putea găsi între profilurile lor de frecvență a cuvintelor ADN.

Se aștepta ca toate clusterele descoperite în acest fel să fie pe linii taxonomice. : bacterii grupate cu bacterii, iar arheile grupate cu arhee. Spre marea noastră surpriză, acesta nu a fost întotdeauna cazul, iar unele arhei și bacterii au fost grupate în mod constant împreună, indiferent de algoritmii pe care i-am folosit.

Singurul lucru comun care ar putea explica faptul că sunt considerate similare de către multiplu. algoritmii de învățare automată a fost că erau extremofili iubitori de căldură.

Arborele vieții, un cadru conceptual folosit în biologie care reprezintă relațiile geneaologice dintre specii, are trei membre majore, numite domenii: bacterii, arhea și eucarya .

Eucariotele sunt organisme care au un nucleu legat de membrană, iar acest domeniu include animale, plante, ciuperci și protisti microscopici unicelulari. În schimb, bacteriile și arheile sunt organisme unicelulare care nu au un nucleu legat de membrană care conține genomul. Ceea ce distinge bacteriile de arhee este compoziția pereților lor celulari.

Cele trei domenii ale vieții sunt dramatic diferite unul de celălalt și, genetic, o bacterie este la fel de diferită de un arheon ca și un urs polar (eukarya) este de la o E. coli (bacterii).

Așteptările era așadar ca genomul unei bacterii și al unui arheon să fie cât mai departe posibil în orice grupare prin orice măsură de similaritate genomică. Descoperirea noastră a unor bacterii și arhei grupate împreună, aparent doar pentru că ambele sunt adaptate la căldură extremă, înseamnă că mediul de temperatură extremă în care trăiesc a cauzat schimbări sistemice, la nivelul întregului genom, în limbajul lor genom.

Această descoperire seamănă cu găsirea unei dimensiuni complet noi a genomului, una de mediu, existentă pe lângă binecunoscuta sa dimensiune taxonomică.

Pe lângă faptul că este neașteptată, această descoperire ar putea avea implicații pentru înțelegerea noastră a evoluția vieții pe Pământ, precum și să ne ghideze gândirea asupra a ceea ce ar fi nevoie pentru a trăi în spațiul cosmic.

Într-adevăr, cercetările noastre în curs explorează existența unui semnal de mediu în semnătura genomică a radiațiilor. -extremofile rezistente, cum ar fi Deinococcus radiodurans, care pot supraviețui expunerii la radiații, precum și frigului, deshidratării, condițiilor de vid și acidului și s-a dovedit că pot supraviețui în spațiul cosmic până la trei ani.

Acest articol este republicat din The Conversation sub o licență Creative Commons. Citiți articolul original.

(Fluierul)