Ősbaktériumok felépítését vizsgálták az ELTE kutatói

Vizsgálataik szerint a legelső baktérium egy pálcika formájú, mozgásra és környezetének érzékelésére képes, vírusok elleni védelemmel rendelkező, viszonylag komplex élőlény volt, emellett 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 nemcsak „szüleiktől” örökölhetnek géneket (vertikális öröklődés), hanem jelentős a környezetből felvett funkcióik száma is (horizontális öröklődés). Példaként említhető, hogy ezáltal szerezhet egy baktérium antibiotikummal szembeni rezisztenciát egy, akár teljesen más fajhoz tartozó társától.

A horizontális és vertikális öröklődés együttes jelenléte miatt a kutatókban felmerült a kérdés, hogy leírható-e 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 biofizikus által vezetett ERC GENECLOCKS és MTA-ELTE „Lendület” Evolúciós Genomika kutatócsoportok a bristoli és queenslandi egyetemmel együttműködve kísérelték meg a fenti 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. Ennek a megközelítésnek a létjogosultságát megerősítette az az eredmény, hogy a génöröklődés kétharmada vertikális, míg egyharmada horizontális volt. Ezek alapján lehetségessé vált egyetlen fával leírni a baktériumok evolúcióját, ugyanakkor fontos a horizontális komponensek figyelembevétele is.

A vertikális és horizontális öröklődést együttesen kezelő módszer segítségével sikerült az egyes gének evolúcióját visszakövetni időben, és így minden eddiginél pontosabban meghatározni a közös ős géntartalmát, ennek segítségével pedig közvetetten különböző tulajdonságait. A vizsgálat szerint ez az egysejtű, ami több mint hárommilliárd éve élt, 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 Gracilicutes-ra – 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 Informatikai Igazgatóság (IIG) által biztosított szerverteremben.