Időutazás a baktériumok közös őséig a filogenetika eszközeivel
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 nem csak ,,szüleiktől’’ örökölhetnek géneket (vertikális öröklődés), de jelentős a környezetből felvett funkcióik száma is (horizontális öröklődés). Például antibiotikummal szembeni rezisztenciát szerezhet így egy baktérium egy, akár teljesen más fajhoz tartozó társától.A horizontális és vertikális öröklődés együttes jelenléte miatt felmerül a kérdés, hogy leírható-e egyáltalán 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 által vezetett ERC GENECLOCKS és MTA-ELTE “Lendület” Evolúciós Genomika kutatócsoportok a Bristoli és Queenslandi Egyetemmel együttműködve kísérelték meg a fenti kérdések tisztázását. A kutatás eredményeit a rangos Science tudományos folyóiratban publikálták.
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 2/3-a vertikális, míg 1/3-a horizontális volt, tehát
lehetségessé vált egyetlen fával leírni a baktériumok evolúcióját ugyanakkor fontos figyelembe venni a horizontális komponenseket 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: 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 Terrabacteria-ra - 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 IIG által biztosított szerverteremben.
Borítókép a vertikális és horizontális öröklődés együttes rekonstrukcióját illusztrálja.