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L'imprevisto dono genomico dell'oceano
L'oceano ospita un serraglio di microrganismi sorprendentemente e sorprendentemente diversificato, secondo un enorme studio genetico pubblicato oggi. I risultati provengono dalla spedizione del pioniere della genomica Craig Venter per fare il giro del mondo in yacht, raccogliendo e analizzando gli organismi marini lungo il percorso. L'inaspettato livello di diversità suggerisce che, nonostante i quasi 200 organismi che sono stati sequenziati fino ad oggi, i ricercatori hanno appena iniziato a scalfire la superficie del repertorio genetico della terra.
Sequenziare il mare : Il pioniere della genomica Craig Venter ha fatto il giro del mondo nel suo yacht, raccogliendo campioni oceanici per l'analisi genomica lungo il percorso.
Non abbiamo capito molto del nostro pianeta e del nostro ambiente, ha detto Venter Revisione della tecnologia dalla sua barca, il Stregone II , attualmente nel Mare di Cortez, in Messico. Ci è mancato fino al 99% delle forme di vita e della biologia là fuori. Dice che le sequenze genetiche generate dal progetto avranno un ampio impatto, dall'aiutare gli scienziati a comprendere i cicli globali del carbonio all'identificazione della possibile vita su Marte.
I microrganismi costituiscono la maggior parte della vita sulla Terra, svolgendo un ruolo importante nel ciclo del carbonio e in altri cicli energetici globali. Tuttavia, poiché solo l'1% circa degli organismi può essere coltivato in laboratorio, è difficile identificare e comprendere queste creature microscopiche. Ora, i metodi di sequenziamento genico in continuo miglioramento sviluppati negli ultimi anni offrono ai microbiologi un nuovo strumento con cui studiare il restante 99 percento. Gli scienziati possono estrarre il materiale genetico da una goccia di acqua di mare e quindi sequenziare quel DNA, ricavando indizi genomici in tutti gli organismi che vivono in quell'ambiente.
Dopo uno studio pilota di successo del Mar dei Sargassi nel 2003, Venter ha intrapreso una spedizione molto più lunga, seguendo la rotta della nave britannica il Sfidante , un viaggio di ricerca che ha catalogato 5.000 nuove specie marine alla fine del 1800. L'equipaggio ha percorso quasi 6.000 miglia a bordo dello yacht di Venter, raccogliendo campioni di acque superficiali ogni 200 miglia.
La prima serie di risultati, pubblicata questa settimana in tre articoli sulla rivista Biologia PLoS , ha rivelato sei milioni di nuove proteine, raddoppiando il numero di sequenze proteiche note. Ovunque abbiamo campionato, abbiamo trovato nuove proteine, dice Venter.
I ricercatori si sono concentrati in gran parte sull'analisi di nuove sequenze codificanti proteine, piuttosto che sull'identificazione di microrganismi specifici, poiché la varietà del DNA rendeva difficile l'assemblaggio in singoli genomi. (Le sequenze di DNA generate da una goccia di acqua di mare contengono frammenti dei genomi di molti microrganismi diversi. Gli scienziati paragonano questo al tentativo di mettere insieme un puzzle da una scatola contenente alcuni pezzi di mille puzzle diversi.)
Questa nuova raccolta di proteine dovrebbe far luce su come si sono evolute le proteine e forse anche suggerire la genetica dei nostri primi organismi ancestrali. Con una collezione diversificata di proteine, puoi costruire un albero filogenetico e provare a dedurre la funzione e come si è evoluto, dice Shibu Yooseph, uno scienziato del J. Craig Venter Institute, a Rockville, MD, e l'autore principale di uno dei Biologia PLoS documenti. Per ogni famiglia che abbiamo esaminato, sia il numero che la diversità delle nuove proteine erano davvero inaspettati.
Uno dei tipi più abbondanti di proteine identificati nello studio proviene dalle proteorodopsine, molecole che assomigliano alle proteine sensibili alla luce nell'occhio umano. Sembra che dotino i microrganismi di un meccanismo alternativo alla fotosintesi per generare energia dalla luce. I ricercatori hanno anche scoperto che lievi cambiamenti nella proteina influenzano la lunghezza d'onda della luce che l'organismo può assorbire: la particolare variante che un organismo possiede sembra seguire il colore predominante dell'acqua nel suo ambiente. Sulla costa, ad esempio, dove l'acqua è verde, gli organismi possono assorbire principalmente la luce verde. Ma nel mare profondo, dove l'acqua è blu, gli organismi possono assorbire principalmente la luce blu.
In effetti, ogni ambiente campionato ha mostrato un'elevata diversità genetica, sia all'interno che tra i campioni. I risultati mettono in discussione la nozione di specie nei microrganismi. Quando guardi i microbi, non sembrano essere singole specie, afferma Douglas Rusch, anche lui scienziato presso l'Istituto Venter e autore di uno degli articoli. Sembra essere una miscela complessa, che descriviamo come sottotipi, che si adattano a un particolare ambiente.
Il progetto di Venter fa parte di una nuova tendenza nella genomica, resa possibile dalle nuove tecnologie di sequenziamento, per sequenziare intere comunità microbiche piuttosto che singoli organismi. Queste tecnologie consentono un sequenziamento massicciamente parallelo, in modo da poter ottenere centinaia di migliaia di sequenze in singole esecuzioni, afferma George Weinstock , condirettore del Centro di sequenziamento del genoma umano al Baylor College of Medicine, a Houston. Finora, gli scienziati hanno sequenziato gli abitanti microbici delle carcasse di balene, degli impianti di trattamento delle acque reflue, dei siti di drenaggio delle miniere acide e degli intestini delle termiti, tra gli altri.
Le comunità microbiche sono quasi come un superorganismo, in cui ogni microbo contribuisce alla comunità nel suo insieme, afferma Weinstock. Abbiamo davvero bisogno di caratterizzare il metagenoma e analizzare i geni ei prodotti proteici come un aggregato.
Venter e altri sperano infine di trovare proteine che possano essere cooptate per creare nuove macchine batteriche, proteine coinvolte nella produzione di idrogeno o nella fissazione del carbonio, per esempio, che potrebbero un giorno essere progettate per aumentare la capacità di fissazione del carbonio dell'oceano o per creare batteri che producono carburante. I geni sono la componente progettuale del futuro, afferma Venter.