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Die unvorhergesehene genomische Prämie des Ozeans
Laut einer heute veröffentlichten umfangreichen genetischen Studie beherbergt der Ozean eine erstaunlich – und überraschend – vielfältige Menagerie von Mikroorganismen. Die Ergebnisse stammen von der Expedition des Genomik-Pioniers Craig Venter, um die Welt mit einer Yacht zu umrunden und dabei Meeresorganismen zu sammeln und zu analysieren. Die unerwartete Vielfalt deutet darauf hin, dass Forscher trotz der bisher fast 200 sequenzierten Organismen gerade erst begonnen haben, an der Oberfläche des genetischen Repertoires der Erde zu kratzen.
Das Meer sequenzieren : Der Genomik-Pionier Craig Venter umrundete mit seiner Yacht die Welt und sammelte dabei Meeresproben für die Genomanalyse.
Wir haben nicht viel über unseren eigenen Planeten und unsere eigene Umwelt verstanden, sagte Venter Technologieüberprüfung von seinem Boot, das Zauberer II , derzeit im Meer von Cortez, in Mexiko. Uns fehlen bis zu 99 Prozent der Lebensformen und der Biologie da draußen. Er sagt, dass die durch das Projekt generierten genetischen Sequenzen weitreichende Auswirkungen haben werden, von der Hilfe für Wissenschaftler, die globalen Kohlenstoffkreisläufe zu verstehen, bis hin zur Identifizierung von möglichem Leben auf dem Mars.
Mikroorganismen machen den Großteil des Lebens auf der Erde aus und spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf und anderen globalen Energiekreisläufen. Da jedoch nur etwa 1 Prozent der Organismen in einem Labor gezüchtet werden können, ist es schwierig, diese mikroskopisch kleinen Kreaturen zu identifizieren und zu verstehen. Jetzt, Die in den letzten Jahren entwickelten, sich ständig verbessernden Methoden zur Gensequenzierung bieten Mikrobiologen ein neues Werkzeug, um die anderen 99 Prozent zu untersuchen. Wissenschaftler können das genetische Material aus einem Tropfen Meerwasser extrahieren und dann diese DNA sequenzieren, um genomische Hinweise auf alle in dieser Umgebung lebenden Organismen abzuleiten.
Nach einer erfolgreichen Pilotstudie der Sargassosee im Jahr 2003 unternahm Venter eine viel längere Expedition auf der Route des britischen Schiffes Herausforderer , eine Forschungsreise, bei der Ende des 19. Jahrhunderts 5.000 neue Meeresarten katalogisiert wurden. Die Crew legte fast 6.000 Meilen an Bord von Venters Yacht zurück und sammelte alle 200 Meilen Oberflächenwasserproben.
Die ersten Ergebnisse, die diese Woche in drei Artikeln in der Zeitschrift veröffentlicht wurden PLoS Biologie , enthüllte sechs Millionen neue Proteine und verdoppelte damit die Zahl der bekannten Proteinsequenzen. Überall, wo wir Proben genommen haben, fanden wir neue Proteine, sagt Venter.
Die Forscher konzentrierten sich hauptsächlich auf die Analyse neuer Protein-kodierender Sequenzen und nicht auf die Identifizierung spezifischer Mikroorganismen, da die Vielfalt der DNA es schwierig machte, sich zu einzelnen Genomen zusammenzusetzen. (DNA-Sequenzen, die aus einem Tropfen Meerwasser generiert wurden, enthalten Fragmente aus den Genomen vieler verschiedener Mikroorganismen. Wissenschaftler vergleichen dies mit dem Versuch, ein Puzzle aus einer Schachtel mit einigen Teilen aus tausend verschiedenen Puzzles zusammenzusetzen.)
Diese neue Sammlung von Proteinen sollte Aufschluss darüber geben, wie sich Proteine entwickelt haben, und vielleicht sogar auf die Genetik unserer frühesten Vorfahren hinweisen. Mit einer vielfältigen Sammlung von Proteinen kann man einen phylogenetischen Baum aufbauen und versuchen, auf die Funktion und deren Entwicklung zu schließen, sagt Shibu Yooseph, Wissenschaftler am J. Craig Venter Institute in Rockville, MD, und Hauptautor eines der PLoS Biologie Papiere. Für jede Familie, die wir uns angesehen haben, war sowohl die Anzahl als auch die Vielfalt neuer Proteine wirklich unerwartet.
Eine der am häufigsten in der Studie identifizierten Proteinarten stammt von Proteorhodopsinen, Molekülen, die lichtempfindlichen Proteinen im menschlichen Auge ähneln. Sie scheinen Mikroorganismen mit einem alternativen Mechanismus zur Photosynthese auszustatten, um aus Licht Energie zu gewinnen. Die Forscher fanden auch heraus, dass leichte Veränderungen des Proteins die Wellenlänge des Lichts beeinflussen, die der Organismus aufnehmen kann: Die spezielle Variante eines Organismus scheint der vorherrschenden Farbe des Wassers in seiner Umgebung zu folgen. An der Küste zum Beispiel, wo das Wasser grün ist, können Organismen meist grünes Licht absorbieren. Aber in der Tiefsee, wo das Wasser blau ist, können Organismen meist blaues Licht absorbieren.
Tatsächlich zeigte jede untersuchte Umgebung eine hohe genetische Vielfalt, sowohl innerhalb als auch zwischen den Proben. Die Ergebnisse stellen den Begriff der Spezies in Mikroorganismen in Frage. Wenn man sich Mikroben ansieht, scheinen sie keine einzelnen Arten zu sein, sagt Douglas Rusch, ebenfalls Wissenschaftler am Venter-Institut und Autor einer der Arbeiten. Es scheint eine komplexe Mischung zu sein, die wir als Subtypen bezeichnen, die an eine bestimmte Umgebung angepasst sind.
Venters Projekt ist Teil eines neuen Trends in der Genomik, der durch neue Sequenzierungstechnologien ermöglicht wird, ganze mikrobielle Gemeinschaften anstelle einzelner Organismen zu sequenzieren. Diese Technologien ermöglichen eine massiv parallele Sequenzierung, sodass wir Hunderttausende von Sequenzen in einzelnen Läufen erhalten können, sagt George Weinstock , Co-Direktor der Zentrum für die Sequenzierung des menschlichen Genoms am Baylor College of Medicine in Houston. Bisher haben Wissenschaftler unter anderem die mikrobiellen Bewohner von Walkadavern, Kläranlagen, Entwässerungsanlagen von Säureminen und Termitendärmen sequenziert.
Mikrobielle Gemeinschaften sind fast wie ein Superorganismus, bei dem jede Mikrobe zur Gemeinschaft als Ganzes beiträgt, sagt Weinstock. Wir müssen wirklich das Metagenom charakterisieren und die Gene und Proteinprodukte als Aggregat analysieren.
Venter und andere hoffen schließlich, Proteine zu finden, die zur Herstellung neuartiger bakterieller Maschinen verwendet werden können – Proteine, die beispielsweise an der Wasserstoffproduktion oder Kohlenstofffixierung beteiligt sind und die eines Tages so konstruiert werden könnten, dass sie die Kohlenstoffbindungskapazität des Ozeans steigern oder erzeugen treibstoffproduzierende Bakterien. Gene sind die Designkomponente der Zukunft, sagt Venter.