Šįmet JAV Bigelow okeanografijos laboratorijoje dirbantis R.Stepanauskas gavo Lietuvos Švietimo ir mokslo ministerijos apdovanojimą už pasiekimus moksle. Pats mokslininkas mano, kad didžiausias jo pastarojo dešimtmečio pasiekimas buvo jo iniciatyva sukurtas Vienos ląstelės genomikos centras JAV, kuris pasaulio mokslininkams ir biotechnologijų įmonėms sudaro sąlygas vykdyti tyrimus, kurių be centro atlikti būtų neįmanoma. Vienos ląstelės genomikos centras leidžia mėginius analizuoti itin dideliu jautrumu.
R.Stepanausko ir jo komandos moksliniai darbai buvo publikuoti prestižiniuose mokslo žurnaluose „Science“, „Nature“ ir kituose. Tyrimai padeda ne tik geriau suprasti mikroorganizmų pasaulį, bet ir gyvybės evoliuciją, o dabar biologai tyrimus ketina panaudoti ir medicinoje.
„Genetinę informaciją, kurią gauname iš mikroorganizmų, siekiu pritaikyti tam, kad ieškotume tokių genetinių sekų, kurios galėtų būti pritaikomos naujų vaistų, naujų bioenergijos šaltinių kūrime ir panašiuose biotechnologiniuose sprendimuose“, – aiškino R.Stepanauskas.
Perspektyvus tyrimų metodas
Apie vienos ląstelės genomikos tyrimo metodą ir jo komandos darbus biologas pasakojo lapkričio mėnesį paskaitoje, kai atvyko į Lietuvą atsiimti apdovanojimo.
R.Stepanausko ir jo komandos moksliniai darbai buvo publikuoti prestižiniuose mokslo žurnaluose „Science“, „Nature“ ir kituose.
R.Stepanauskas įsitikinęs, kad jo naudojamas vienos ląstelės genomikos tyrimo metodas ateityje sparčiai populiarės ir bus vis plačiau pritaikomas pasaulio mokslininkų tyrimuose.
„Visų pirma, genomų tyrimas apskritai yra gan naujas, atsiradęs tik prieš du dešimtmečius. Tai greitai auganti biologijos sritis. Genomai yra gyvybės brėžiniai, kuriuos mokslininkai vis sėkmingiau sugeba skaityti, – Verkių rūmuose vykusią paskaitą pradėjo R.Stepanauskas. – O fundamentaliausias darinys biologijoje yra ląstelė, iš kurios sudaryti visi organizmai. Be to, gyvybė visų pirma yra vienaląstė – visas organizmas, visos jo gyvybės funkcijos yra individualiose ląstelėse tų bakterijų, archejų ir pirmuonių, kurie sudaro didžiąją dalį Žemės gyvybės įvairovės ir biomasės .“
Problema ta, kad atlikti mikrobiologinius tyrimus nėra paprasta – mokslininkų laboratorijų mėgintuvėliuose kultivuojami mikroorganizmai sudaro tik labai mažą visos gyvybės įvairovės dalį ir toli gražu neatsako į visus mikrobiologijos klausimus. Tik visai neseniai buvo suprasta, kad mikroorganizmų yra apie šimtą kartų daugiau, nei manyta iki šiol. Nuo to laiko buvo atrasta keletas metodikų, kurios leidžia tirti mikroskopinius organizmus jų nekultivuojant.
Šiuo metu viena labiausiai paplitusių nekultivacinių metodikų yra metagenomika – individualių genų skaitymas iš visos mikroorganizmų bendrijos, pavyzdžiui, iš vandens ar dirvožemio biomasės. Tačiau šio metodo trūkumas yra tas, kad daugelis mikroorganizmų bendrijų yra per daug sudėtingos, todėl lieka neaišku, kaip atskiri genai dera tarpusavyje ir kokiems mikroorganizmams jie priklauso.
O vienos ląstelės genomikos metodas leidžia nuskaityti ne tik atskirus genus, išgautus iš aplinkos mėginių, bet ir nustatyti nekultivuotų mikroorganizmų genų kilmę bei organizaciją, t.y. pilnus genomus.
„Pats principas, kaip veikia vienos ląstelės genomika, yra paprastas: pradedame nuo dirvožemio ar vandens mėginio. Ląstelės yra fiziškai atskiriamos, po to išskiriama jų DNR, – kalbėjo R.Stepanauskas. – Tada ši DNR padauginama ir toliau naudojama sekoskaitai ir genomo surinkimui. Šių žingsnių metu gaunama informacija apie organizmo ekologiją, fiziologiją bei biotechnologinį potencialą. Šį metodą sudėjus kartu su kitais, galima sužinoti labai daug įdomių dalykų apie tiriamus, nekultivuotus mikroorganizmus.“
RuBisCO turėjo giliavandenės bakterijos
Vienos ląstelės genomikos centro įkūrimas ir jo suteiktos techninės galimybės turėjo didelę įtaką R.Stepanausko moksliniams tyrimams.
Visai netikėtai mokslininkai atrado, kad apie 20 procentų giliavandenių bakterijų koduoja RuBisCO, kertinį baltymą fotosintezei.
„Pirmas iš tokių tyrimų padėjo suprasti, kas vyksta vandenynų gelmėse – giliau nei 200 metrų, kur neprasiskverbia Saulės spinduliai. Tas gilus vanduo sudaro 90 proc. viso vandens tūrio, o jame esantys organizmai – 75 proc. visos jūrinės biomasės. Dėl to giliavandeniai mikroorganizmai turi didžiulę įtaką globalioje anglies apytakoje“, – pasakojo mokslininkas.
Pastaraisiais metais atlikta nemažai tyrimų, kurie modeliavimo pagrindu nustatė, kad vandenynų gelmėse vyksta gana intensyvus neorganinės anglies surišimas į organinius junginius. Tačiau nebuvo aišku, kaip tai vyksta – kokie organizmai tai daro, iš kur jie gauna energijos ir kokie procesai jiems padeda. R.Stepanausko tyrimai šią spragą užpildė.
„Eksperimento metu mes išgavome DNR iš daugelio kosmopolitinių giliavandenių mikroorganizmų tipų. Tai buvo didelis pasiekimas, nes tuo metu išgauti DNR bent iš vienos iš tų grupių buvo rimtas iššūkis. Kada išgavome DNR, galėjome pradėti ieškoti sekų, kurios mus informuotų apie tų mikroorganizmų metabolizmą“, – sakė R.Stepanauskas.
Buvo ieškota genų, kurie įsitraukę į įvairius energijos virsmus. Visai netikėtai mokslininkai atrado, kad apie 20 procentų giliavandenių bakterijų koduoja RuBisCO, kertinį baltymą fotosintezei. Tos pačios bakterijos turėjo ir keletą genų, rodančių, kad jos galėjo oksiduoti sieros junginius, jog išgautų energiją galimai organinės medžiagos sintezei visiškoje tamsoje.
„Tai nėra atsitiktinės bakterijos, jos sudaro didelę dalį visos gyvybės giliame vandenyje. Dalis deguonies, kuriuo kvėpuojame, yra jų pagamintas. Tai buvo įdomus atradimas, ir dar po kelių metų kita mokslininkų grupė pasinaudojo mūsų atrasta genomo informacija ir patvirtino, kad šios bakterijos iš tikrųjų užsiima sieros metabolizmu“, – sakė R.Stepanauskas.
Atskira pirmuonių grupė
Kitas mokslininkų atliktų tyrimų pavyzdys – iš pirmuonių grupės.
Šio tyrimo metu buvo analizuojami vienaląsčiai planktoniniai eukarijotai, turintys lizosomas. Peržiūrėję jų sudėtį mokslininkai atrado, kad keletas iš jų priklausė pikobilifitams – grupei visai neseniai atrastų pirmuonių, kurie tuo metu buvo laikomi fotosintezę atliekančiais dumbliais.
„Pradėję skaityti pikobilifitų DNR supratome, kad nė vienas jų neturi fotosintezės ar plastidžių genų. Vietoje jų mes radome bakterinės ir virusinės kilmės genų, tikriausiai kilusių iš pikobilifitų maisto. Paigi pasirodė kad šie organizmai yra „plėšrūnai““, – aiškino mokslininkas.
Po kelerių metų pasirodė dar vienas straipsnis, kuriame mokslininkų grupė iš Didžiosios Britanijos ir Vokietijos patvirtino, kad pikobilifitai neatlieka fotosintezės, todėl nėra dumbliai, ir jie tą grupę pasiūlė pervadinti į Picozoa.
„Malonu matyti, kad informacija, kurią mes gavome iš vienos ląstelė genomų, buvo patvirtinta kitų mokslinių grupių, naudojančių skirtingas metodikas“, – šyptelėjo R.Stepanauskas.
Tirs gyvybės evoliuciją
Neseniai pradėto kito projekto metu mokslininkai sieks rasti naujų gyvybės formų.
Šiuo metu R.Stepanausko žvilgsnis nukreiptas į tris projektus – jis ketina tęsti anglies apytakos tyrimus giliame vandenyje, tirti hidrotermines versmes ir ieškoti naujų gyvybės formų.
„Vienas mūsų dabartinių projektų yra hidroterminių versmių tyrimai. Vandenynuose yra karštų versmių, kurios yra unikalios ekosistemos, aplink jas gyvena daugybė gyvūnų rūšių, kurių nėra niekur kitur. Šių ekosistemų pagrindas – bakterijos, kurios gaudo chemines medžiagas tose versmėse, gamina energiją, ir ją verčia į savo biomasę, – kalbėjo biologas. – Tai tampa maisto šaltiniu kitoms gyvybės formoms. Mūsų tyrimai žiūri į to proceso detales – kokie biocheminiai virsmai vyksta, kokie mikroorganizmai juos vykdo, ir iš kur jie gauna energiją.“
Neseniai pradėto kito projekto metu mokslininkai sieks rasti naujų gyvybės formų. Naudojant vienos ląstelės genomikos metodiką ir aparatūrą, mokslininkai keliaus į unikalias pasaulio vietas ir ieškos tokių mikroorganizmų, kurie nėra giminingi niekam kitam ir kurių nebuvo galima aptikti, kol nebuvo tam tinkamų technologijų.
„Šie tyrimai padės geriau suprasti gyvybės evoliuciją – kaip ankstyvos gyvybės formos atsirado ir kaip jos šakojosi“, – pasakojo mokslininkas.
