Speciace archaeí v horkém prameni na Kamčatce

Dalo to sice práci, ale teď už víme, že evoluční příběhy neskončily, ale právě naopak. Běží všude kolem nás. Prakticky na všech pravděpodobných, ale i nepravděpodobných místech, kde žijí nějaké živé organismy, neustále vznikají nové druhy. Někdy si toho všimneme docela snadno - když se populace jednoho druhu rozpadne na menší sousedící populace, které izoluje nově vzniklá řeka, pohoří anebo třeba dálnice. V takovém případě se rozběhne takzvaná alopatrická speciacie. To ale není všechno. Někdy nové druhy vznikají na jednom společném území, kde nejsou na první pohled nijak geograficky izolované. Tomu se pak říká sympatrická speciace a zkoumá se ještě mnohem obtížněji, než speciace alopatrická. Dodnes není příliš jasné, jak vlastně probíhá a jak často. A pokud jde o mikroorganismy, nevíme o vzniku druhů, natož o sympatrické speciaci skoro vůbec nic.

Tohle teď změnila Rachel Whitaker z University of Illinois, Urbana-Champaign, která s týmem spolupracovníků zkoumala podivuhodná archaea druhu Sulfolobus islandicus z horkého pramene v oblasti vulkánu Mutnovskij na jihu Kamčatky. Sulfoloby jsou proklatě odolná archaea z linie Crenarchaeota s nepravidelnými buňkami, která milují kyselé a zároveň horké prostředí. Nejraději žijí v prostředí s pH 2-3 a teplotou 75-80 stupňů Celsia. Řečeno odborným slangem to jsou tedy acidofilní termofilové, případně termofilní acidofilové.

Whitakerová a její kolegové z jednoho jediného horkého pramene vylovili celkem 12 kmenů těchto extrémy milujících sulfolobů. Poté podrobili detailní analýze jejich genomy, přičemž intenzivně využili nové programy ClonalFrame a ClonalOrigin, na jejichž vývoji se významně podílel Xavier Didelot z týmu Whitakerové. Nakonec vyšlo najevo, že oněch 12 kmenů místních sulfolobů náleží ke dvěma dobře odlišitelným liniím. Příslušníci každé z nich si ochotně vyměňují geny se svými bližními a zároveň mnohem méně často se členy druhé skupiny. Whitakerová a spol. zároveň zjistili, že se výměna genetického materiálu mezi těmito dvěma skupinami v průběhu času snižuje. Badatelé z toho vyvodili, že vlastně přistihli archaea v okamžiku vzniku nových druhů, k němuž dochází v dotyčném horkém pramenu, tedy na jednom poměrně nevelkém místě.

Při bližším pohledu se ukázalo, že se různá místa genomu archaeí mění s různou intenzitou. Mezi velkými „kontinenty" proměnlivosti, které se mění dost svižně, leží v genomu sulfolobů menší „ostrovy" stability s konzerovanými sekvencemi. Tyto ostrovy podle všeho odpovídají místům, která si pečlivě hlídá přírodní výběr tvrdým selekčním tlakem. Když na nich dojde k nějaké změně, tak to nejspíš znamená rychlý konec nešťastné archebakterie. Na kontinentech proměnlivosti jsou výměny genů i lokální mutace méně hlídané a tak tyto kontinenty udržují genetickou diverzitu jednotlivých kmenů sulfolobů.

Pokud se Whitakerová a spol. nějak nespletli, tak jsme našli první příklad sympatrické speciace mezi mikroby. Přistihli jsme je právě při činu. Vznikající druhy sulfolobů si sice vyměňují nějaké geny, není jich ale nijak moc. Zároveň je očividně nerozděluje žádná geografická či mechanická bariéra, pokud tu samozřejmě nepůsobí nějaký zvláštní proces, který zatím neznáme. Mikrobiální svět je přeci jen plný překvapení a žádnou pozoruhodnost asi nemůžeme předem stoprocentně vyloučit. Teď se ale každopádně zdá, že dvě linie sulfolobů v horkém prameni na Kamčatce od sebe táhne jenom síla nějaké selekce.

Máme tu před sebou dva druhy, které se liší v 0,35 % genomu, což je zhruba třetina rozdílnosti mezi genomem šimpanze a člověka. Je to řádově menší rozdíl, než jaký obvykle vídáme mezi námi definovanými druhy bakterií a archeí. To samozřejmě přináší řadu dalších otázek. Znamená to, že máme kolem sebe řádově větší diverzitu celého světa mikrobů, které jsme zatím nevěnovali pozornost? Anebo to znamená, že se populace bakterií a archaeí prostě takhle chovají a zdánlivá izolovanost sulfolobů je jenom časovým řezem v dlouhodobých změnách genomů, které by zase časem mohly nové druhy sulfolobů smazat? Zatím jen těžko říct, i vzhledem k tomu, že naše konstrukce druhu je ve světě bakterií a archaeí dost násilná a my rozhodně moc nevíme, jak to u nich vlastně funguje.

Odolné sulfoloby jsou nesmírně zajímavé pro biotechnology a molekulární inženýry. Například, z proteinů sulfolobu S. acidocaldarius byly vyvinuty umělé proteiny zvané affitiny, které dovedou sehrát roli protilátek a specificky vázat antigeny. V sulfolobech také sídlí velmi zajímavé viry, které se v nich ukrývají před agresivním prostředí horkých pramenů. Není těžko uhodnout, že o téhle čeládce z horkých pramenů ještě mnohé uslyšíme.

Autor: RNDr. Stanislav Mihulka PhD.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

Originální studie:

Cadillo-Quiroz H, Didelot X, Held NL, Herrera A, Darling A, et al. (2012) Patterns of Gene Flow Define Species of Thermophilic Archaea. PLoS Biol 10(2): e1001265. doi:10.1371/journal.pbio.1001265

Připraveno podle:

Caught in the act: Study discovers microbes speciating. PLoS Biol 10(2): e1001265, University of Illinois at Urbana-Champaign News - březen 2012.

Další použité zdroje:

Wikipedia (Sulfolobus).

Obrazové přílohy:

Oblast sopky Mutnovskij. Kredit: Denis Anisimov.

Rachel Whitakerová s oblíbenými horkými prameny. Kredit: L. Brian Stauffer, University of Illinois at Urbana-Champaign.

Sulfolobus. Kredit: Eye of Science/Science Photo Library.