Исследователи из Университета Ватерлоо и Западного университета с помощью машинного обучения обнаружили удивительную корреляцию между температурой и геномом. Ученые обратили внимание на микробов-экстремофилов.
Обычно геном рассматривается как хранилище генетической информации, имеющей решающее значение для развития, функционирования и воспроизводства. Однако команда специалистов по информатике и биологии изучила возможность того, что геном может содержать не только генеалогические или таксономические сведения.
Ученые обратили внимание на экстремофилов - организмы, процветающие в экстремальных условиях, будь то палящая жара свыше +100°C, леденящий до костей холод ниже -12°C, интенсивная радиация или экстремальные значения кислотности и давления. Исследователи предположили, что геном может содержать подсказки о среде, в которой процветают эти экстремофилы.
Команда использовала уникальный подход, рассматривая геномную ДНК как язык, состоящий из слов ДНК. Последовательности ДНК, похожие на строки текста, состоят из нуклеотидов - аденина, цитозина, гуанина и тимина (A, C, G, T), соединенных вместе. В 1990-х годах ученые обнаружили, что вид организма можно определить, подсчитав количество повторений этих слов в ДНК.
Объясняя свое исследование в журнале The Conversation, Кэтлин Хилл и Лила Кари, соавторы исследования, привели аналогию с различением английских и французских книг на основе частоты встречаемости слов. Как частотный профиль слов в книге не зависит от набора конкретных страниц, так и частотный профиль слов ДНК не зависит от расположения и длины последовательности ДНК, выбранной для представления данного генома, сообщили исследователи. Частотный профиль слов ДНК в геноме служит «геномной подписью» организма.
Исследователи отправились в путь, собрав набор данных из 700 микробов-экстремофилов, процветающих в условиях экстремальных температур и рН. Используя контролируемое и неконтролируемое машинное обучение, они попытались выяснить, может ли профиль частоты слов в ДНК раскрыть сигналы окружающей среды. Результаты оказались поразительными. Неконтролируемое машинное обучение, работающее без предварительных знаний о таксономии или окружающей среде, сгруппировало экстремофилов на основе их профилей частоты слов ДНК. Вопреки ожиданиям, некоторые бактерии и археи объединялись в группы исключительно из-за их адаптации к экстремальной жаре.
Открытие команды бросило вызов традиционному пониманию Древа жизни, которое классифицирует организмы на три домена: бактерии, археи и эукарии. Авторы подчеркнули, что, хотя эти домены генетически различны, обнаруженное экологическое измерение, особенно кластеризация бактерий и архей, указывает на то, что экстремальная температурная среда, в которой они живут, вызвала системные изменения в их геномном языке.
Обнаружение этого экологического аспекта в геномах может перевернуть наше представление об эволюционной истории Земли. Кроме того, исследователи собираются распространить свое исследование на радиационно-устойчивых экстремофилов, таких как Deinococcus radiodurans. Эти экстремофилы, известные тем, что могут выживать в суровых условиях, включая радиационное облучение и пребывание в открытом космосе в течение трех лет, могут стать ключом к пониманию геномного влияния других сред обитания.
Этот прорыв не только открывает возможности для нового определения языка геномов, но и заставляет задуматься о приспособляемости жизни за пределами Земли. Поскольку человечество устремлено к звездам, понимание геномного языка, на который влияют экстремальные условия, становится решающим в размышлениях о потенциале жизни в бескрайних просторах космоса.