地球上の極限環境生物に対する私たちの理解の高まりは、宇宙生物学に新しい可能性を開きました。科学者たちは、生命を決してサポートできないように見えた、資源の乏しい世界をもう一度見ています。研究者の1つのチームは、メキシコの栄養不足地域を研究して、生物が困難な環境でどのように繁栄するかを理解しようとしています。
研究者たちは、クアトロシエネガス盆地と呼ばれるメキシコの地域で働きました。約4300万年前、盆地はメキシコ湾から隔離されるまで浅い海でした。栄養不足であり、古代の祖先の水生微生物が生息しているため、独特の地域です。
新しい研究の筆頭著者は、アリゾナ州立大学の地球と宇宙探査学部のジョーダンオーケイです。研究のタイトルは、「情報処理におけるゲノムの適応は、全生態系の栄養強化実験における栄養戦略を支えています。」です。ジャーナルeLIFEに掲載されています。
この研究は、生物のゲノムと、生物のサイズ、情報をエンコードする方法、情報の密度などの生物の基本的な側面に焦点を当てています。研究者たちは、クアトロ・シネガス盆地のような極端な環境で生物が繁殖できるようにする方法を研究しました。ある意味で、この盆地は、初期の地球、または古代の湿った火星の類似物です。
「この地域は栄養素が非常に乏しいため、その生態系の多くは微生物に支配されており、初期地球の生態系や、生命を支えてきた可能性のある火星の過去の湿潤環境に類似している可能性があります」と筆頭著者のOkieは述べています。
生物が行うすべてのことにはコストがかかります。生物はビジネスに取り組むときに多くのトレードオフを行います。これらのトレードオフは、生物の生化学的情報処理の効率に影響を与えます。栄養不足の環境に適応して進化した生物は、それ自体を複製するために大量のリソースを使用する能力に「投資」していない可能性があります。
それがチームの仮説であり、彼らはそれを調査するために実験を考案しました。
J.クレイグベンターインスティチュートのクリストファーデュポン准教授がこの研究の上級著者です。デュポンはプレスリリースで次のように述べています。「貧栄養環境（低栄養素）で見つかる微生物は、DNAの複製、RNAの転写、タンパク質の翻訳について、必然的に低リソースの戦略に依存すると仮定しました。逆に、共栄養性（高栄養）環境では、リソース集約型の戦略が好まれます。」
この実験では、いわゆる「メソコスム」と呼ばれるミニチュアエコシステムを設定しました。その後、生物は窒素とリンを含む高レベルの肥料を与えられました。それらの要素は、メソコスム内の微生物の成長の増加に拍車をかけました。実験の最後に、彼らは、対照群と比較して、生物群集が栄養素の増加にどのように反応するかを調べました。
彼らの研究では、著者は、細胞内の生物学的情報を処理する生物の能力を管理する4つの特性に焦点を当てました。
- タンパク質生合成に不可欠な遺伝子の多様性：栄養素に富む環境に適応した共栄養生物または生物は、より高い成長率に寄与する遺伝子の数が多いはずです。ただし、トレードオフがあります。栄養不足の環境では不利であり、レプリケーション率が高いと、成長効率が低下する可能性があります。
- ゲノムサイズ：ゲノムが小さい生物は複製に必要なリソースが少なく、細胞サイズも小さいです。これらの生物は、栄養素が比較的豊富にある時期に、栄養素の少ない状態により迅速に反応することができます。
- グアニンとシトシンの含有量：グアニンとシトシンはヌクレオチド塩基です。科学者はその理由を正確に特定していませんが、GCが生産するのに「より高価」であるためか、ゲノム内のGCレベルが高い生物はリソースが豊富な環境でよりよく機能する可能性があります。したがって、GC含有量が低い生物は、リソースの少ない環境でより良い結果をもたらす可能性があります。
- コドン使用バイアス：コドンは、DNAまたはRNAヌクレオチドのトリプレットのシーケンスです。コドンは、タンパク質合成中に次に追加するアミノ酸を指定します。複数の異なるコドンが1つのアミノ酸をコード化できますが、栄養豊富な環境では、リソースをより早く使用するコドンは、対応するコドンよりも偏っています。
この研究は、4つすべての特性を調べているので異なりますが、以前の研究ではそのうちの1つまたは2つしか対象としていませんでした。この研究では、これらの特性がコミュニティでどのように機能するかについても検討していますが、以前の研究ではさまざまなアプローチをとっていました。彼らの論文で述べているように、「私たちの研究は、関与する最初の全生態系実験の1つとして注目に値します実験レベルの複製 コミュニティの反応のメタゲノム評価。」
「この研究は、大きな生物の生態学的研究からアイデアを得て、生態系全体の実験で微生物群集にそれらを適用するため、ユニークで強力です。」
上級著者ジム・エルサー、ASUライフサイエンススクール
実験は32日間続き、クアトロシエネガス盆地のラグニータ池で行われました。その間、研究者たちはフィールドモニタリング、サンプリング、日常の水化学を実施しました。
結果は、仮説と一致していました。メソコスムは、増加した栄養素を複製に使用する能力がより高い生物によって支配されるようになりました。対照群は、生物学的情報を低コストで処理できる種に支配されていました。
「この研究は、大規模な生物の生態学的研究からアイデアを得て、生態系全体の実験で微生物群集に適用するため、ユニークで強力です」と、ASUのライフサイエンススクールの上級著者であるジムエルサーは述べています。 「そうすることで、おそらく初めて、これらの微生物の種の同一性に関係なく、生態系の栄養素状態に対する系統的な微生物の反応に関連する基本的なゲノム全体の特性があることを識別および確認することができました。」
この研究の結果は、他の世界の極端な環境や栄養素の少ない環境で生命がどのように機能するかについて何かを教えてくれます。生物がどこにいても、その環境で重要なリソースを利用できる、きめ細かく調整された生物学的情報処理機能を備えている必要があります。そして、彼らがいる環境はそれらが何であるかを決定します。
「これは非常にエキサイティングです。地球とそれ以降の生命に一般的に適用されるべき生命のルールがあることを示唆しているからです」とオキーは言いました。
もっと：
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- 研究論文：情報処理におけるゲノムの適応は全生態系の栄養強化実験における栄養戦略を支えています
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