The Ocean's Unpreeseen Genomic Bounty

Havet är värd för ett fantastiskt – och överraskande – mångsidigt menageri av mikroorganismer, enligt en massiv genetisk studie som publicerades idag. Fynden kommer från genomikpionjären Craig Venters expedition för att cirkla runt världen med yacht, samla och analysera marina organismer längs vägen. Den oväntade nivån av mångfald tyder på att trots de nästan 200 organismer som hittills har sekvenserats, har forskare precis börjat skrapa på ytan av jordens genetiska repertoar.

Sekvensering av havet : Genomikpionjären Craig Venter cirklade runt jordklotet i sin yacht och samlade havsprover för genomisk analys längs vägen.

Vi har inte förstått mycket om vår egen planet och vår egen miljö, berättade Venter Teknikgranskning från sin båt, den Trollkarlen II , för närvarande i Cortezhavet, i Mexiko. Vi har saknat så mycket som 99 procent av livsformerna och biologin där ute. Han säger att de genetiska sekvenserna som genereras av projektet kommer att ha en bred inverkan, från att hjälpa forskare att förstå globala kolcykler till att identifiera möjligt liv på Mars.

Mikroorganismer utgör huvuddelen av livet på jorden och spelar en stor roll i kolets kretslopp och andra globala energicykler. Men eftersom endast cirka 1 procent av organismerna kan odlas i ett labb, är det svårt att identifiera och förstå dessa mikroskopiska varelser. Nu, ständigt förbättrade gensekvenseringsmetoder som utvecklats under de senaste åren erbjuder mikrobiologer ett nytt verktyg för att studera de övriga 99 procenten. Forskare kan extrahera det genetiska materialet från en droppe havsvatten och sedan sekvensera det DNA:t, och härleda genomiska ledtrådar till alla organismer som lever i den miljön.

Efter en framgångsrik pilotstudie av Sargassohavet 2003, gav sig Venter ut på en mycket längre expedition, efter det brittiska fartygets rutt. Utmanare , en forskningsresa som katalogiserade 5 000 nya marina arter i slutet av 1800-talet. Besättningen reste nästan 6 000 miles ombord på Venters yacht och samlade prover av ytvatten var 200:e mil.

Den första uppsättningen resultat, publicerad denna vecka i tre tidningar i tidskriften PLoS Biologi , avslöjade sex miljoner nya proteiner, vilket fördubblade antalet kända proteinsekvenser. Överallt där vi provtog hittade vi nya proteiner, säger Venter.

Forskare fokuserade till stor del på att analysera nya proteinkodande sekvenser, snarare än på att identifiera specifika mikroorganismer, eftersom variationen av DNA gjorde det svårt att sätta ihop till enstaka genom. (DNA-sekvenser som genereras från en droppe havsvatten innehåller fragment från arvsmassan från många olika mikroorganismer. Forskare liknar detta med att försöka sätta ihop ett pussel från en låda som innehåller några bitar från tusen olika pussel.)

Den här nya samlingen av proteiner borde belysa hur proteiner utvecklades, och kanske till och med antyda genetiken hos våra tidigaste förfäders organismer. Med en mångsidig samling av proteiner kan du bygga ett fylogenetiskt träd och försöka dra slutsatser om funktionen och hur den utvecklats, säger Shibu Yooseph, en forskare vid J. Craig Venter Institute, i Rockville, MD, och huvudförfattare till en av de PLoS Biologi papper. För varje familj vi har tittat på var både antalet och mångfalden av nya proteiner verkligen oväntat.

En av de vanligaste typerna av protein som identifierats i studien kommer från proteorodopsiner, molekyler som liknar ljusavkännande proteiner i det mänskliga ögat. De verkar förse mikroorganismer med en alternativ mekanism till fotosyntes för att generera energi från ljus. Forskare fann också att små förändringar i proteinet påverkar våglängden av ljus som organismen kan absorbera: den speciella variant som en organism besitter verkar följa vattnets dominerande färg i sin miljö. Vid kusten, till exempel, där vattnet är grönt, kan organismer mestadels absorbera grönt ljus. Men i djuphavet, där vattnet är blått, kan organismer mestadels absorbera blått ljus.

Faktum är att varje miljö som provades visade hög genetisk mångfald, både inom och mellan proverna. Fynden utmanar uppfattningen om arter i mikroorganismer. När du tittar på mikrober verkar de inte vara individuella arter, säger Douglas Rusch, också en forskare vid Venter Institute och författare till en av tidningarna. Det verkar vara en komplex blandning, som vi beskriver som undertyper, som är anpassade till en viss miljö.

Venters projekt är en del av en ny trend inom genomik, som möjliggörs av nya sekvenseringsteknologier, för att sekvensera hela mikrobiella samhällen snarare än enskilda organismer. Dessa teknologier tillåter massivt parallell sekvensering, så vi kan få hundratusentals sekvenser i enstaka körningar, säger George Weinstock , meddirektör för Human Genome Sequencing Center vid Baylor College of Medicine i Houston. Hittills har forskare sekvenserat de mikrobiella invånarna i bland annat valkadaver, avloppsreningsverk, dräneringsplatser för sura gruvor och termittarmar.

Mikrobiella samhällen är nästan som en superorganism, där varje mikrob bidrar till samhället som helhet, säger Weinstock. Vi behöver verkligen karakterisera metagenomet och analysera generna och proteinprodukterna som ett aggregat.

Venter och andra hoppas så småningom hitta proteiner som kan samordnas för att skapa nya bakteriella maskiner – proteiner involverade i väteproduktion eller kolfixering, till exempel, som en dag skulle kunna konstrueras för att öka havets kolbindningskapacitet eller för att skapa bränsleproducerande bakterier. Gener är framtidens designkomponent, säger Venter.

Dölj