Ons groeiend begrip van extremofielen hier op aarde heeft nieuwe mogelijkheden in de astrobiologie geopend. Wetenschappers bekijken de wereld met weinig middelen die leek alsof ze het leven nooit zouden kunnen ondersteunen. Een team van onderzoekers bestudeert een voedselarme regio van Mexico om te proberen te begrijpen hoe organismen gedijen in uitdagende omgevingen.
De onderzoekers werkten in een regio in Mexico, het Cuatro Ciénegas-bekken. Ongeveer 43 miljoen jaar geleden was het stroomgebied een ondiepe zee, totdat het geïsoleerd raakte van de Golf van Mexico. Het is een onderscheidende regio omdat het zowel arm is aan voedingsstoffen als de thuisbasis is van in het water levende microben met een eeuwenoude afkomst.
De hoofdauteur van de nieuwe studie is Jordan Okei van de School of Earth and Space Exploration van de Arizona State University. De titel van de studie is: "Genomische aanpassingen in informatieverwerking ondersteunen de trofische strategie in een experiment met een verrijking van nutriënten met een heel ecosysteem." Het is gepubliceerd in het tijdschrift eLIFE.
De studie richt zich op het genoom van een organisme en de fundamentele aspecten ervan, zoals de grootte van het organisme, de manier waarop het informatie codeert en de dichtheid van informatie. De onderzoekers bestudeerden hoe die kenmerken ervoor zorgen dat een organisme kan gedijen in een extreme omgeving, zoals die in Cuatro Ciénegas Basin. In sommige opzichten is het bekken een analoog voor de vroege aarde of oude, natte Mars.
"Dit gebied is zo arm aan voedingsstoffen dat veel van zijn ecosystemen worden gedomineerd door microben en mogelijk overeenkomsten vertonen met ecosystemen van de vroege aarde, maar ook met nattere omgevingen op Mars die het leven mogelijk hebben ondersteund", aldus hoofdauteur Okie.
Alles wat een organisme doet, brengt kosten met zich mee, en organismen maken veel compromissen wanneer ze bezig zijn met hun bedrijf. Deze afwegingen beïnvloeden de efficiëntie van de biochemische informatieverwerking van een organisme. Een organisme dat zich heeft aangepast aan en is geëvolueerd in een voedselarme omgeving, heeft mogelijk niet "geïnvesteerd" in het vermogen om grote hoeveelheden middelen te gebruiken om zichzelf te repliceren.
Dat was de hypothese van het team en ze bedachten experimenten om het te onderzoeken.
Universitair hoofddocent Christopher Dupont van het J. Craig Venter Institute is een senior auteur van deze studie. In een persbericht zei Dupont: “We veronderstelden dat micro-organismen die in oligotrofe (nutriëntarme) omgevingen worden aangetroffen, noodzakelijkerwijs zouden vertrouwen op strategieën met weinig middelen voor replicatie van DNA, transcriptie van RNA en vertaling van proteïne. Omgekeerd is een copiotrofe (voedingsrijke) omgeving gunstig voor hulpbronnenintensieve strategieën. ”
Het experiment omvatte het opzetten van zogenaamde "mesokosmossen", miniatuurecosystemen. De organismen kregen vervolgens verhoogde niveaus van kunstmest die stikstof en fosfor bevatten. Die elementen zorgden voor een verhoogde groei van de micro-organismen in de mesokosmossen. Aan het einde van het experiment keken ze hoe de gemeenschap van organismen reageerde op de toegenomen voedingsstoffen, vergeleken met de controlegroepen.
In hun onderzoek concentreerden de auteurs zich op vier kenmerken die het vermogen van een organisme om biologische informatie in hun cellen te verwerken regelen:
- Veelvoud aan genen die essentieel zijn voor de biosynthese van eiwitten: Copiotrofen, of organismen die zijn aangepast aan voedselrijke omgevingen, zouden meer genen moeten hebben die bijdragen aan hogere groeisnelheden. Maar er is een compromis: ze zijn in het nadeel in een voedselarme omgeving, en hun hogere replicatiepercentages kunnen uiteindelijk hun groei-efficiëntie verminderen.
- Genoomgrootte: een organisme met een kleiner genoom heeft minder middelen nodig om te repliceren en heeft een kleinere celgrootte. Deze organismen kunnen na een periode van relatieve nutriëntenrijkdom sneller reageren op voedselarme omstandigheden.
- Guanine- en cytosinegehalte: Guanine en cytosine zijn nucleotidebasen. Wetenschappers weten niet precies waarom, maar organismen met hoge GC-niveaus in hun genoom doen het waarschijnlijk beter in bronnen die rijk zijn aan hulpbronnen, misschien omdat GC 'duurder' is om te produceren. Dus organismen met een lagere GC-inhoud doen het mogelijk beter in omgevingen met weinig bronnen.
- Biongebruiksbias: Codons zijn sequenties van DNA- of RNA-nucleotide-tripletten. Codons specificeren welk aminozuur vervolgens moet worden toegevoegd tijdens de eiwitsynthese. Meerdere verschillende codons kunnen een aminozuur coderen, maar in een voedselrijke omgeving moeten codons die sneller middelen gebruiken, bevooroordeeld zijn over hun tegenhangers.
Dit onderzoek is anders omdat het naar alle vier deze eigenschappen kijkt, terwijl eerdere onderzoeken zich op slechts een of twee ervan hebben gericht. Deze studie kijkt ook naar hoe deze eigenschappen in een gemeenschap werken, terwijl eerdere studies verschillende benaderingen gebruikten. Zoals ze in hun paper zeggen: 'Onze studie is opmerkelijk als een van de eerste experimenten met hele ecosystemen die erbij betrokken zijnexperimentniveau gerepliceerd metagenomische beoordelingen van de reactie van de gemeenschap. "
"Deze studie is uniek en krachtig omdat ze ideeën ontleent aan de ecologische studie van grote organismen en deze toepast op microbiële gemeenschappen in een experiment met een heel ecosysteem."
Senior auteur Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Het experiment duurde 32 dagen en vond plaats in de Lagunita-vijver in het Cuatro Ciénegas-bekken. Gedurende die tijd voerden de onderzoekers veldmonitoring, bemonstering en routinematige waterchemie uit.
De resultaten waren in lijn met de hypothese: de mesokosmossen werden gedomineerd door organismen met een groter vermogen om de verhoogde voedingsstoffen in replicatie te gebruiken. De controlegroepen werden gedomineerd door soorten die tegen gereduceerde kosten biologische informatie konden verwerken.
"Deze studie is uniek en krachtig omdat ze ideeën ontleent aan de ecologische studie van grote organismen en deze toepast op microbiële gemeenschappen in een experiment met een heel ecosysteem", zegt hoofdauteur Jim Elser, van ASU's School of Life Sciences. "Door dit te doen, konden we, misschien voor het eerst, identificeren en bevestigen dat er fundamentele genomische eigenschappen verbonden zijn met systematische microbiële reacties op de voedingsstatus van ecosystemen, zonder rekening te houden met de soortidentiteit van die microben."
De resultaten van deze studie vertellen ons iets over hoe het leven zou kunnen functioneren in extreme en / of voedselarme omgevingen op andere werelden. Waar een organisme zich ook bevindt, het moet beschikken over nauwkeurig afgestemde biologische informatieverwerkingsmogelijkheden die kunnen profiteren van de belangrijkste bronnen in hun omgeving. En de omgevingen waarin ze zich bevinden, zullen bepalen wat dat zijn.
"Dit is erg opwindend, omdat het suggereert dat er levensregels zijn die algemeen van toepassing moeten zijn op het leven op aarde en daarbuiten", zei Okie.
Meer:
- Persbericht: Levensregels: van een vijver naar het hiernamaals
- Onderzoekspaper: Genomische aanpassingen in informatieverwerking ondersteunen de trofische strategie in een experiment met een verrijking van nutriënten in het hele ecosysteem
- Associated Research: Bacteriële gemeenschapsassemblage op basis van functionele genen in plaats van soorten
