Исследователи из японского научного центра RIKEN провели масштабный двухлетний аудит геномов тысяч микроорганизмов. Им удалось обнаружить 173 уникальных штамма бактерий и архей, способных поглощать углекислый газ в абсолютной темноте — свойство, о котором наука ранее даже не догадывалась.
На Земле существуют миллионы видов бактерий и архей, но о подавляющем большинстве из них известно удивительно мало. Многие из них никогда не выращивались в лабораториях, из-за чего биологи часто называют эту колоссальную неизученную область «микробной темной материей».
Чтобы пролить свет на эти скрытые ресурсы и найти новые способы борьбы с глобальным потеплением, японские ученые решили провести тотальный цифровой скрининг гигантских фондов Биоресурсного исследовательского центра RIKEN (BRC). Этот уникальный центр мирового класса расположен в Цукубе — одном из крупнейших научных городов Японии. Местные сотрудники собирают, бережно хранят и контролируют качество биологических материалов (от генов до целых растений и клеток), обеспечивая точность и воспроизводимость экспериментов по всему миру.
Внутри центра работает Отдел микробиологии, более известный в мировой науке как Японская коллекция микроорганизмов (JCM). Сюда стекаются штаммы, открытые микробиологами со всей планеты. База JCM насчитывает более 32 000 штаммов, из которых 21 000 находится в открытом доступе для международного сообщества. Помимо самих пробирок, центр аккумулирует терабайты сопутствующих данных: от генетических последовательностей до точных условий и сред обитания конкретных микробов.
Целью нового проекта стало максимальное использование этого богатства для решения климатического кризиса. Задачей было найти организмы, способные улавливать CO 2.
«Честно говоря, я надеялась, что кто-нибудь другой возьмется за подобное исследование», — смеется Ариса Нисихара, научный сотрудник группы, вспоминая о старте проекта. Дело в том, что сопоставление разрозненных данных — это тяжелейшая рутина. Из 15 000 прокариот (бактерий и архей), хранящихся в JCM, полные геномные карты были расшифрованы для 6749 штаммов. При этом в мире существовали тысячи научных статей по биологии, но геномные базы и литература никогда системно не проверялись друг через друга. Этот колоссальный пробел ученые закрывали вручную в течение двух лет.
Общеизвестно, что растения поглощают углекислый газ из атмосферы с помощью фотосинтеза, преобразуя его в органику через цепочку химических реакций — так называемый цикл Кальвина — Бенсона. Но растениям для этого необходим солнечный свет. В то же время многие микроорганизмы тоже владеют этим механизмом, но умеют запускать его в абсолютной темноте.
«Хотя фотосинтез растений включает фиксацию CO₂, для этого нужен свет. В отличие от них, многие микроорганизмы способны фиксировать CO₂ в темноте. Мы считали, что если мы сможем использовать эту способность в местах, куда не проникает свет, это внесет огромный вклад в создание низкоуглеродного общества», — объясняет старший научный сотрудник Синго Като.
В ходе масштабного анализа геномов всех 6749 штаммов исследователи искали конкретные гены, отвечающие за цикл Кальвина — Бенсона. Компьютерный алгоритм выделил 306 штаммов, обладавших нужным генетическим аппаратом. Эти штаммы распределились по 147 родам микроорганизмов.
Затем ученые подняли мировые научные архивы, чтобы проверить, знали ли другие биологи о талантах этих микробов. Результат удивил команду. Для 74 родов микробиологи нашли подтверждения в литературе (некоторые из этих бактерий уже активно применяются в прикладных лабораториях). Для оставшихся 73 родов (в которые входят 173 конкретных штамма) никаких упоминаний в истории науки не существовало. Их способность утилизировать углерод стала абсолютным открытием. Оказалось, что очень многие прокариоты могут обладать скрытой способностью фиксировать CO 2, используя в качестве источника энергии соединения водорода или серы.
«Существуют различные типы микроорганизмов. Некоторые предпочитают водород, некоторые — серу, а некоторые процветают в совершенно бескислородной среде. Это означает, что, просто изменяя условия культивирования в лаборатории или на производстве, мы можем направленно обнаруживать новые микроорганизмы, обладающие способностью эффективно фиксировать CO₂», — объясняет Ариса Нисихара.
Результаты этой фундаментальной работы были опубликованы в профильном научном журнале Microbes and Environments.
Открытие японских ученых дает человечеству новое биологическое оружие против парникового эффекта. В каталогах JCM для обнаруженных 173 штаммов теперь проставлены специальные маркеры. Поскольку этим бактериям не нужно солнце, биотехнологи со всего мира получают готовые «чертежи» для создания замкнутых промышленных биофильтров. Их можно размещать глубоко под землей, в шахтах, на закрытых заводах или внутри узлов улавливания выбросов тяжелых предприятий, утилизируя тонны CO 2 там, где классическое озеленение растительностью попросту невозможно.
В настоящее время RIKEN реализует масштабную инициативу TRIP, целью которой является объединение передовой исследовательской инфраструктуры и различных типов данных в самых разных научных дисциплинах.
«Инициатива TRIP имеет три основных направления: организация высококачественных данных; достижение прорывов в квантово-химических расчетах за счет интеграции математических наук и искусственного интеллекта; и создание прогностической науки», — рассказывает Синго Като.
Таким образом, исследователи не намерены останавливаться на занесении бактерий в каталоги. В планах команды — запустить нейросети для раскрытия полного потенциала этой «темной материи».
«Наша задача как исследователей — собрать высококачественные первичные данные, но мы не хотим останавливаться на достигнутом. Мы также хотим использовать ИИ для повышения ценности наших исследований и даже для прогнозирования того, как эти микроорганизмы могут быть использованы в конкретных областях исследований и отраслях промышленности. Я твердо убежден, что и мы сможем внести свой вклад в инициативу TRIP», — резюмирует Като.
Источник: RIKEN.
На фото слева направо: научный сотрудник Ариса Нисихара, старший научный сотрудник Синго Като, Отдел микробиологии (RIKEN JCM), Научно-исследовательский центр биоресурсов RIKEN. Фото: RIKEN.