Геномы новооткрытых цианобактерий свидетельствуют о позднем появлении кислородного фотосинтеза

Рис. 1. Разнообразие фотосинтезирующих цианобактерий (класс Oxyphotobacteria). Показаны представители отрядов Chroococcales (a–e), Pleurocapsales (f), Oscillatoriales (g–p), Nostocales (q–t), Stigonematales (u–v). Длина масштабных отрезков: 10 мкм (a–u), 20 мкм (v). Изображение из статьи P. Dvorak et al., 2015. Species concepts and speciation factors in cyanobacteria, with connection to the problems of diversity and classification

Считается, что атмосфера Земли стала кислородной 2,4–2,3 миллиарда лет назад благодаря цианобактериям, освоившим окcигенный фотосинтез. При этом датировки таких важнейших эволюционных событий, как появление цианобактерий, оксигенного фотосинтеза и кислородного дыхания остаются спорными. Современные методы метагеномного анализа, открывшие окно в мир некультивируемых микробов, позволили обнаружить два новых класса нефотосинтезирующих цианобактерий, Melainabacteria и Sericytochromatia, вдобавок к давно известным фотосинтезирующим цианобактериям (Oxyphotobacteria). Сравнительный анализ геномов показал, что первые цианобактерии не имели ни фотосинтеза, ни кислородного дыхания. Белки, необходимые для фотосинтеза, появились у предков Oxyphotobacteria после их отделения от Melainabacteria, которое произошло 2,6–2,5 миллиардов лет назад. Затем представители всех трех классов независимо приобрели белковые комплексы, необходимые для кислородного дыхания. Горизонтальный перенос генов играл в этих событиях важнейшую роль.

Появление оксигенного фотосинтеза преобразило земную биосферу и создало предпосылки для эволюции высших форм жизни. Единственными организмами, способными к оксигенному фотосинтезу, являются цианобактерии и их прямые потомки — хлоропласты фотосинтезирующих эукариот. Поэтому для понимания эволюции земной жизни необходимо как можно точнее датировать появление цианобактерий и кислородного фотосинтеза. Несмотря на повышенный интерес к данной проблеме, она до сих пор окончательно не решена (см. ссылки в конце новости). Трудности связаны в частности с тем, что геологическая летопись дает в основном лишь косвенные и трудно интерпретируемые данные об эволюции докембрийских прокариот.

К счастью, геологическая летопись — не единственный источник сведений о давних эволюционных событиях. Не менее важным источником сегодня стала сравнительная геномика, позволяющая реконструировать не только хронологический порядок событий, но и детали молекулярного устройства давно вымерших микробов путем сравнения ДНК их современных родичей.

В последние годы благодаря развитию метагеномики в поле зрения ученых попало множество микробов, не желающих расти на искусственных средах в лаборатории, что не позволяло их изучить (а подчас и обнаружить) классическими методами микробиологии. Среди новооткрытых микробов нашлись переходные формы, пролившие неожиданно яркий свет на величайшую загадку эволюционной биологии — происхождение эукариот (см.: Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2017).

Статья австралийских и американских биологов, опубликованная 31 марта в журнале Science, сообщает об аналогичном прорыве в изучении другого важнейшего эволюционного события, или, точнее, комплекса событий — появления цианобактерий, кислородного фотосинтеза и аэробного дыхания.

Ранее уже было показано, что к типу цианобактерий, помимо давно известных фотосинтезирующих форм (рис. 1), относится ряд микробов, не способных к фотосинтезу. Часть их была выделена в класс Melainabacteria. Эти микроорганизмы встречаются в озерах, подземных и сточных водах, а также в человеческом кишечнике. Мелаинабактерии образуют монофилетическую группу с фотосинтезирующими цианобактериями. Иными словами, мелаинабактерии и фотосинтезирующие цианобактерии являются единственными современными потомками своего последнего общего предка. Фотосинтезирующие цианобактерии вместе с произошедшими от них хлоропластами тоже образуют монофилетическую группу, сестринскую по отношению к мелаинабактериям, которая получила название Oxyphotobacteria (R. M. Soo et al., 2014. An Expanded Genomic Representation of the Phylum Cyanobacteria). Кроме того, анализ генов 16S рРНК из различных сред выявил третью, самую базальную ветвь цианобактерий (сестринскую по отношению к Melainabacteria + Oxyphotobacteria). Полные геномы представителей этой третьей группы до сих пор не были известны, и поэтому она фигурировала в литературе под невразумительным названием «клада ML635J-21».

В своей новой статье Рошель Соо (Rochelle M. Soo) и ее коллеги из Квинслендского университета в Брисбене (Австралия) и Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) сообщили о сборке черновых геномов трех представителей клады ML635J-21, которую они переименовали в класс Sericytochromatia (от лат. sero — «поздно» и «цитохром», что указывает на позднее приобретение этой группой цитохромов, необходимых для аэробного дыхания, см. ниже). Представители нового класса Sericytochromatia обнаружены как в освещенных местообитаниях (водорослевые биопленки), так и в темноте (подземные воды, угольные пласты). Кроме того, авторы собрали 28 новых черновых геномов Melainabacteria и переопределили 10 ранее собранных геномов, которые были ошибочно отнесены к другим группам, а на самом деле относятся к мелаинабактериям.

В итоге в распоряжении исследователей оказался большой массив геномных данных, достаточный для содержательного анализа ранних этапов эволюции цианобактерий.

Рис. 2. Эволюционное дерево цианобактерий, основанное на генах 120 консервативных белков. Дерево включает три ветви, соответствующие классам Oxyphotobacteria, Melainabacteria и Sericytochromatia. Разноцветными значками показаны моменты приобретения белков оксигенного фотосинтеза (зеленые звездочка и шестиугольник) и кислородного дыхания (компоненты цепи переноса электронов: Complex III — протонная помпа, перекачивающая протоны через клеточную мембрану и задействованная в обоих процессах — фотосинтезе и дыхании; Complex IV — белковый комплекс, передающий электрон кислороду и задействованный только в дыхании); красный крестик — утрата цепи переноса электронов в одной из групп мелаинабактерий. Разными оттенками показаны белки со сходной функцией, связанные лишь очень отдаленным родством. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Получившееся эволюционное дерево показано на рис. 2. Новые данные подтвердили деление цианобактерий на три класса и базальное положение Sericytochromatia. Судя по распределению на этом дереве белков, необходимых для фотосинтеза (фотосистемы I и II, ферменты цикла Кальвина), первые цианобактерии не были способны ни к фотосинтезу, ни к фиксации CO₂. По-видимому, они были гетеротрофами (потребителями готовой органики). Между прочим, среди мелаинабактерий есть даже хищники, что является большой редкостью в мире бактерий (см.: Vampirovibrio chlorellavorus).

Ничего похожего на белки фотосистем и цикла Кальвина нет ни у одного из представителей Melainabacteria и Sericytochromatia. По-видимому, эти белки (точнее, их гены) были позаимствованы путем горизонтального переноса у каких-то других бактерий и собрались в систему оксигенного фотосинтеза у предков Oxyphotobacteria уже после их отделения от предков Melainabacteria. Судя по молекулярным часам, эти группы разошлись в самом конце архейского эона, 2,6–2,5 миллиардов лет назад (P. M. Shih et al., 2016. Crown group Oxyphotobacteria postdate the rise of oxygen). Получается, что кислородный фотосинтез появился незадолго до периода быстрого роста концентрации кислорода в атмосфере, который имел место 2,4–2,3 млрд лет назад.

Новые данные позволили также уточнить имеющиеся представления об эволюции аэробного дыхания у цианобактерий. Для начала заметим, что оксигенный фотосинтез и аэробное дыхание — процессы, связанные не только по своему результату (первый производит органику и кислород из CO₂ и воды, второй превращает органику и кислород обратно в CO₂ и воду), но и по происхождению. Ключевую роль в обоих процессах играют электронно-транспортные цепи (ЭТЦ; см. Electron transport chain), состоящие из нескольких вмонтированных в мембрану белковых комплексов. Детальные схемы этих цепей можно посмотреть на сайте KEGG (ЭТЦ оксигенного фотосинтеза, ЭТЦ аэробного дыхания).

Некоторые компоненты фотосинтетической и дыхательной ЭТЦ явно имеют общее происхождение. В первую очередь это относится к так называемому комплексу III (Complex III), который использует энергию передаваемого от белка к белку возбужденного электрона для перекачки протонов с одной стороны мембраны на другую. Получившийся электрохимический градиент затем используется для синтеза АТФ при помощи АТФ-синтазы: этот процесс одинаков при фотосинтезе и дыхании.

Родство молекулярных систем оксигенного фотосинтеза и аэробного дыхания особенно наглядно проявляется у фотосинтезирующих цианобактерий, у которых ряд компонентов ЭТЦ, включая комлекс III, задействован одновременно в обоих процессах (рис. 3).

Рис. 3. Схема электронно-транспортных цепей фотосинтеза и дыхания у цианобактерии Synechocystis. Зеленым цветом выделены белковые комплексы, участвующие только в фотосинтезе (PS I, PS II — фотосистемы I и II, содержащие хлорофилл), серым — компоненты дыхательной цепи (комплексы I–IV). Некоторые блоки (PQ — пластохинон, комплекс III, PC — пластоцианин) задействованы одновременно и в фотосинтезе, и в дыхании. Рисунок из статьи W. F. J. Vermaas, 2001. Photosynthesis and Respiration in Cyanobacteria

Если бы первые цианобактерии имели кислородный фотосинтез или дыхание, то у них должны были быть соответствующие белки, включая цитохромы комплекса III, которые затем переходили бы по наследству к их потомкам. В таком случае эволюционные деревья, построенные по отдельности для этих цитохромов и других «дыхательных» белков, совпадали бы с деревом, построенным на основе всего генома и отражающим родственные связи классов цианобактерий.

Ничего подобного, однако, не наблюдается. Дыхательные белки цианобактерий демонстрируют сходство с соответствующими белками самых разных групп бактерий (деревья, построенные для отдельных белков, приведены в дополнительных материалах к обсуждаемой статье). Из этого следует, что, как показано на рис. 2, разные группы цианобактерий приобретали белки дыхательной ЭТЦ независимо друг от друга, в разное время и от разных доноров. Никакой эволюционной преемственности в этом отношении между классами цианобактерий нет. Системы кислородного дыхания явно формировались за счет горизонтального переноса генов от других (причем разных) групп бактерий. При этом одни цианобактерии обзавелись белками, подходящими для дыхания при низких концентрациях кислорода, другие — при высоких.

Таким образом, у первых цианобактерий не было не только оксигенного фотосинтеза, но и кислородного дыхания. В небольших количествах свободный кислород мог производиться и за счет абиотических процессов, таких как фотолиз водяного пара, но этого, очевидно, было недостаточно, чтобы стимулировать эволюцию кислородного дыхания до появления оксигенного фотосинтеза. После этого события многим микробам пришлось срочно приспосабливаться к присутствию кислорода, токсичного для неадаптированных к нему организмов. В ходе этой адаптации горизонтальный перенос генов играл ключевую роль, а дыхательные ЭТЦ развивались как модификации сложившихся ранее фотосинтетических ЭТЦ.

Один из главных выводов работы состоит в том, что цианобактерии начали производить кислород лишь 2,6–2,5 млрд лет назад или даже позже. Этот вывод противоречит распространенной точке зрения о раннем (около 3 млрд лет назад) начале кислородного фотосинтеза (см.: «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014). Малый временной интервал между изобретением оксигенного фотосинтеза и ростом уровня кислорода в атмосфере подчеркивает ключевую роль данного эволюционного события в оксигенизации атмосферы (в противовес идеям о ведущей роли абиотических процессов, таких как подъем материков и изменение характера вулканизма (см.: Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2011).

Вывод о позднем появлении кислородного фотосинтеза согласуется с геохимическими данными, свидетельствующими о существовании 2,415 млрд лет назад фотосинтезирующих организмов, окислявших марганец (J. E. Johnson et al., 2013. Manganese-oxidizing photosynthesis before the rise of cyanobacteria). Марганцевый фотосинтез считается непосредственным эволюционным предшественником оксигенного. Напоминанием об этом этапе эволюции является водоокисляющий марганцевый кластер фотосистемы II (см. главу 16 книги Михаила Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки»). Возможно, марганцевым фотосинтезом занимались базальные Oxyphotobacteria.

Источник: Rochelle M. Soo, James Hemp, Donovan H. Parks, Woodward W. Fischer, Philip Hugenholtz. On the origins of oxygenic photosynthesis and aerobic respiration in Cyanobacteria // Science. 2017. V. 355. P. 1436–1440.

См. также о появлении кислородного фотосинтеза и оксигенизации атмосферы:
1) Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2011.
2) «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014.
3) Михаил Никитин. Происхождение жизни. От туманности до клетки (Глава 16).

Александр Марков