Egy új genomkatalógus, a GEM (Genomes from Earth's Microbiomes, a Föld mikrobiomjaiból származó genomok) létrehozása során amerikai kutatók több mint 12 ezer új mikroorganizmust azonosítottak. Az áttörést jelentő eredmény 44 százalékkal terjeszti ki az ismert sejtmag nélküli, baktériumok és archeák közé tartozó mikrobák körét. A kutatómunka a jövőben számos tudományos felfedezéshez és akár biotechnológiai vívmányhoz is vezethet.

A genomkatalógust ismertető tanulmány a Nature Biotechnology folyóiratban jelent meg, ami arra is utal, hogy a munka alapkutatási jelentősége mellett potenciálisan praktikus biotechnológiai jelentőséggel bír. A közel 52 ezer élőlény genomját tartalmazó katalógust a kutatók korábban meghatározott környezeti metagenomok segítségével állították össze.

A metagenomok, amelyek egy környezeti mintában fellelhető élőlények genetikai információjának összességét tartalmazzák, az elmúlt években forradalmasították a mikrobiológia tudományát. Ezek a környezeti minták az óceáni aljzatokról, a földkéreg mélyéről, hőforrásokból vagy az emberi mikrobiomból származnak. Az élőlények genetikai információja ezekből a környezeti mintákból egy szekvenálás nevű eljárás során nyerhető ki, amely az örökítőanyagként szolgáló DNS bázissorendjének meghatározására szolgál. Ezzel a metagenomika módszertana lehetővé tette olyan mikroorganizmusok felfedezését és működésük részbeni megismerését, amelyek laboratóriumi körülmények közti tenyésztése nem vagy csak nagyon nehezen lehetséges. Ezáltal példátlan betekintést nyert a tudomány a földi élet valódi változatosságba, és feltárultak az élőlények közötti legmélyebb evolúciós kapcsolatok.

A metagenomikai vizsgálatokkal általánosságban azonosított élőlények a földi élet három nagy csoportjához tartoznak, a baktériumok, az archeák és az eukarióták közé. A fennmaradó, környezeti mintákból szintén azonosítható genetikai anyagot a vírusok teszik ki. Míg a baktériumokat kórokozó szerepük miatt mindenki ismeri, kevesen tudnak az 1970-es évek végén azonosított archeákról, amelyekről korábban itt írtunk részletesen. Ezek baktériumokhoz hasonlóan sejtmag nélküli, ősi mikroorganizmusok, amelyeket először extrém élőhelyeken azonosítottak. Különös jelentőségüket az adja, hogy mint a metagenomikai vizsgálatoknak köszönhetően kiderült, az eukarióták az archeák egy csoportjából alakultak ki, közel 2 milliárd évvel ezelőtt. Ez a folyamat vezetett idővel a komplex élet, azaz a növények, állatok, gombák és számtalan egysejtű eukarióta megjelenéséhez.

Az újonnan létrehozott GEM genomkatalógus majdnem négyszer nagyobb biológiai változatosságot jelenít meg, mint bármilyen korábbi munka. Ezt jól jelezi, hogy a kutatás során több mint 12 ezer új, baktériumok és archeák közé tartozó fajjelöltet azonosítottak. Ennek ellenére nem sikerült megbízható bizonyítékot találni ismeretlen, nagyobb rendszertani kategóriákra, ami talán arra utalhat, hogy a korábbi metagenomikai kutatások már sikeresen feltárták a mikrobák főbb csoportjait. A genomkatalógus emellett lehetővé teszi új anyagcsere-útvonalak és anyagcseretermékek felfedezését, valamint a vírusok mikrobákkal való kölcsönhatásának jobb megértését.

Több mint 12 ezer új mikroorganizmus

Az új kutatásban több mint 10 ezer metagenomból 52 515, baktériumokhoz és archeákhoz tartozó genomot izoláltak a szakemberek. A katalógus összeállításához használt metagenomok az Föld összes kontinenséről és óceánjából származnak, köztük 3345 óceáni és vizes környezetből vett, 3536 állati vagy emberi mikrobiomból vett, 1919 pedig talajból vagy más felszíni környezetből vett metagenomikai mintával. Az 52 ezer genom mind megfelel a közepes minőségű genomok standardjának, ami azt jelenti, hogy legalább 83 százalékban teljes genomokról van szó, 1,3 százalékos szennyeződéssel. 9 ezer közülük magas minőségű, mert az adott élőlény szinte teljes fehérjekódoló, riboszómális RNS- és transzfer RNS-kódoló génkészletét tartalmazza.

A genomok 18 ezer különálló fajhoz tartoznak, amelyeket a műveleti taxonómiai egység (OTU, operational taxonomic unit) definiál a mikrobiológiában. Ez a lassan változó, 16S riboszómális RNS-t kódoló gén bázissorendje alapján matematikailag teszi lehetővé a mikroorganizmusok rendszertani elkülönítését.

Ezeknek az OTU-knak a referenciagenomokat tartalmazó adatbázisokkal való összehasonlítása alapján a kutatók meghatározták, hogy a genomkatalógus 12 556 új fajjelöltet tartalmaz. Az új eredmények a korábbi hasonló kutatásoknál 3,8-szor nagyobb biológiai változatosságot ölelnek fel, amit az élőlények evolúciós leszármazási kapcsolatait vizsgálni hivatott filogenetikai módszertannal is megerősítettek a kutatók. Az is kiderült, hogy a legtöbb baktérium vagy archeafaj egy adott élőhelyre specializálódott, és viszonylag kevés olyan van közöttük, amely egymástól nagyon eltérő környezetekben is megtalálható.

A genomikai módszerekkel megismert biológiai változatosság legnagyobb növekedése a talajban élő Planctomycetota csoporthoz tartozó baktériumoknál volt megfigyelhető, ahol a 79 százalékot is elérte. Magasabb rendszertani kategóriák között 16 potenciálisan új csoportot azonosítottak a szakemberek, de ezek egyelőre elég gyenge lábakon állnak. Az ismert változatosság növekedésének mértéke környezetenként is eltérő volt: az emberi mikrobiom esetén például szinte egyetlen új fajjelöltet sem sikerült azonosítani, ami arra utal, hogy a közelmúltban végzett kutatások ezt elég jól feltérképezték. Összességében elmondható, hogy a baktériumok és archeák változatosságának közel 75 százalékát csak ezek a genomkatalógusok tartalmazzák, ami egyúttal jól jelzi, miért volt a metagenomikának forradalmi hatása a mikrobiológiára.

Biotechnológiai jelentőségű anyagcsere-melléktermékek

A kutatók a GEM segítségével azt is megvizsgálták, hogy vajon tartalmaznak-e a katalógusban szereplő genomok funkcionális újdonságokat, például az anyagcsere folyamatokat szabályozó enzimek terén. Ehhez több mint 5 millió fehérjeklasztert határoztak meg az őket kódoló 111 millió génből. Ezen fehérjeklaszterek 70 százalékának funkciója nem ismert, és 47 százalékuk nem mutat jelentős hasonlóságot egyetlen más, az UniRef fehérje-adatbázisban található fehérjével sem. Bár ezek részletes vizsgálatára nem került sor ebben a kutatásban, az például kiderült, hogy az anyagcseréjük során metánt előállító metanogén archeák változatossága biztosan nagyobb a korábban gondoltnál.

A GEM arra is lehetőséget ad, hogy a szakemberek betekintést nyerjenek a mikroorganizmusok anyagcsere-folyamataiba. Az ezen folyamatok során létrejövő, úgynevezett másodlagos anyagcseretermékek megismeréséhez a bioszintézisükért felelős génklasztereket kell vizsgálni. A génklaszterek olyan két vagy több génből álló csoportok, amelyek a genomban egymáshoz általában közel helyezkednek el, és olyan fehérjéket kódolnak, amelyek együtt felelősek egy adott feladat ellátásáért. A szakemberek összesen 104 ezer potenciális bioszintetikus génklasztert találtak a több mint 52 ezer genomban. Ezek közül akár 87 ezer is új lehet a tudomány számára, és feltételezhető róluk, hogy eddig nem ismert anyagcseretermékeket állítanak elő.

A kutatás további jelentős eredménye, hogy egy genomelemző módszerrel sikerült kapcsolatot találni 23 ezer mikroorganizmus-genom és 81 ezer vírus között, ami 2,5-szeresére növelte a vírusok és a gazdaélőlények közötti eddig feltételezett kapcsolatok számát. Egy másik módszerrel mindezt kiegészítették további 10 ezer vírushoz kapcsolt 7800 újabb genommal. Ehhez hasonló genomikai vizsgálatok segítenek feltárni, hogy a különböző vírusok milyen mikrobákkal élnek együtt, és milyen szerepet játszanak az ökoszisztémában.