Időutazás a baktériumok közös őséig

Az ELTE kutatói egy nemzetközi kollaboráció keretében betekintést nyertek a több mint 3 milliárd évvel ezelőtt élt ősbaktérium felépítésébe, működésébe és életmódjába. Eredményeik alapján – melyeket az egyik legrangosabb tudományos szaklapban, a Science Magazinban közöltek – kiderült, hogy a legelső baktérium egy komplex életforma volt, és fény derült a legkorábban létrejött baktériumcsaládokra is.

A baktériumok a Föld egyik legsokszínűbb és legnagyobb számban jelen lévő organizmusai. A DNS-szekvenálásnak köszönhetően egyre többet tudunk felépítésükről, életmódjukról és funkciójukról, valamint meghatározhatjuk rokonsági viszonyukat, ami a filogenetika tudományág legfőbb célja. A filogenetikusok dolgát azonban megnehezíti, hogy a növényekkel és állatokkal ellentétben a baktériumok nem csak ,,szüleiktől’’ örökölhetnek géneket (vertikális öröklődés), de jelentős a környezetből felvett funkcióik száma is (horizontális öröklődés). Például antibiotikummal szembeni rezisztenciát szerezhet így egy baktérium egy, akár teljesen más fajhoz tartozó társától. A horizontális és vertikális öröklődés együttes jelenléte miatt felmerül a kérdés, hogy leírható-e egyáltalán egyetlen családfával évmilliárdokra visszamenőleg a rokonsági viszonyok hálózata?

Rekonstruálható-e minden ma élő modern baktérium közös őse?

Az ELTE TTK-n működő, Szöllősi Gergely János, az ELTE Biológiai Fizikai Tanszék ERC-díjas és Lendület-nyertes adjunktusa által vezetett ERC GENECLOCKS és MTA–ELTE “Lendület” Evolúciós Genomika kutatócsoportok a Bristoli és Queenslandi Egyetemmel együttműködve kísérelték meg e kérdések tisztázását.

Módszerük lényege, hogy a horizontális géntranszfereket, melyeket a tudományterület eddig jellemzően zajként kezelt, és gyakran figyelmen kívül hagyott, explicit modellezték a filogenetikai rekonstrukció során. A megközelítés létjogosultságát megerősítette az eredmény: mivel a génöröklődés 2/3-a vertikális, míg 1/3-a horizontális volt, lehetségessé vált egyetlen fával leírni a baktériumok evolúcióját, ugyanakkor figyelembe venni a horizontális komponenseket is.

A kétféle öröklődést együttesen kezelő módszer segítségével sikerült az egyes gének evolúcióját visszakövetni időben,

és minden eddiginél pontosabban meghatározni a közös ős géntartalmát,

ennek segítségével pedig közvetetten különböző tulajdonságait: a több mint 3 milliárd éve élt egysejtű egy pálcika formájú, kétmembrános (diderm), mozgásra és környezetének érzékelésére képes (chemotaxis), vírusok elleni védelemmel rendelkező (fejlett CRISPR/Cas rendszer), viszonylag komplex élőlény volt.

A közös őst követően a bakteriális evolúció két fő ágra vált szét, a Gracilicutesra – melyek ma is élő képviselője például a bélben élő Escherichia coli – és a Terrabacteriara - melyek közé többek között a cianobaktérium is tartozik.

A projekt megvalósításához elengedhetetlen volt az ERC GENECLOCKS és MTA–ELTE “Lendület” Evolúciós Genomika kutatócsoportok mintegy 30.5 FP64 TFLOPS számítási teljesítményű HPC klasztere, melyet Szánthó Lénárd Lajos, az ELTE TTK Biológiai Fizika Tanszék mesterszakos hallgatója tervezett, állított össze és üzemeltet az ELTE IIG által biztosított szerverteremben.

(A borítókép a vertikális és horizontális öröklődés együttes rekonstrukcióját illusztrálja.)

Forrás: ELTE TTK