Dovedete si představit ekosystém mající jenom jeden biologický druh? A přece takový existuje. První takový neobvyklý ekosystém, který kdy byl nalezen, se vyskytuje v hloubce 2,8 kilometrů pod zemským povrchem ve zlatém dole Mponeng poblíž jihoafrického Johannesburgu. Zde žijí v naprosté tmě izolaci a bez přítomnosti kyslíku v teplotě okolo 60 °C tyčinkové bakterie Desulforudis audaxviator. Mohl by to být vynikající příspěvek do diskusí o tom, zda je možné ve vesmíru hledat život. Život lze totiž najít i na velmi extrémních stanovištích.
Nejlepším příkladem by mohl být D. audaxviator přežívající v prostředí, kde nemá možnost získat energii ze slunečního záření, ale dokáže ji získat z vodíku a sulfátu vytvořeného radioaktivním rozpadem uranu. Kvůli osamocenému životu si musí D. audaxviator vytvořit organické molekuly z vody, anorganického uhlíku a dusíku z amoniaku, které se nachází v okolních horninách a vodě. Během dlouhé cesty do extrémních hloubek vybavila evoluce tohoto přizpůsobivého speleologa mnoha geny – některé z nich jsou společné s archaei, členy samostatného druhu života nepříbuzného s bakteriemi – které mu umožňují vyrovnat se s širokou oblastí rozdílných podmínek, včetně schopnosti uložit dusík do těla přímo z molekul amoniaku či dusíku obsaženého v okolním prostředí.
D. audaxviator byl „uloven“ a „rozpitván“ – jeho neobvyklý genom byl sekvenován a analyzován s použitím technik environmentální genomiky, někdy také nazývané metagenomika, vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory na Department of Energy, Joint Genome Institute (JGI) a Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), ve spolupráci s kolegy z Princeton University, Indiana University, National Taiwan University, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Florida State University, Desert Research Institute a University of Western Ontario. Práce byla projektem Virtual Institute for Microbial Stress and Survival (VIMSS), podpořená DOE a řízená Adamem Arkinem a Terrym Hazenem z Berkeley Lab a Indiana Princeton Tennessee Astrobiology Initiative (IPTAI) z NASA Astrobiology Institute, kterou řídili Tullis Onstott z Princeton University a Lisa Pratt z Indiana University. Výzkumníci oznámili své výsledky v říjnovém vydání časopisu Science.
„Ohromný přínos environmentální genomiky spočívá v tom, že umožnila vytvořit mnohem komplexnější obrázek mikroskopického života kdekoliv na Zemi, místo toho, aby byla limitována na velmi malou část bakterií, které mohou být pěstovány v laboratoři,“ říká hlavní autor dokumentu v Science Dylan Chivian z Physical Biosciences Division (PBD) v Berkeley Lab. „Téměř všechny organismy žijí ve společenstvích s rozdělenými úlohami v rámci jejich ekosystému. Problém je, že extrakcí DNA z takových environmentálních vzorků může být analyzována DNA různých aktérů těchto mikrobiálních společenství, protože úplné genomy většiny z nich není vůbec tak snadné od sebe oddělit.“
Výjimkou byl vzorek z prostředí jihoafrického dolu získaný, když vědci pečlivě přefiltrovali asi 5 600 litrů vody, které odebral Onstott se spolupracovníky ze zlomu v hornině na místě označeném jako MP104, což byla nově otevřená sekce dolu Mponeng na úrovni 104. Přítomost druhu, později nazvaného D. audaxviator bylo vcelku sázkou na jistotu. Ačkoliv jeho genom nebyl nikdy předtím sekvencován, identifikoval tyto organismy v MP104 Onstott, Li-Hung Lin z National Taiwan University a jejich spolupracovníci v roce 2006 a od té doby bylo známé, že to jsou nejběžnější mikrobi žijící hlouběji než 1,5 kilometrů v jihoafrické důlní oblasti Witwatersrand.
„Věděli jsme z předchozí práce v těchto dolech, s využitím technik molekulární biologie, že to
tam dole vypadá na život velmi jednoduchého společenství,“ říká Fred Brockman z Biology Department na PNNL ve státě Washington, kde byla extrahována DNA z odfiltrovaných buněk. „Očekávali jsme, že bychom měli mít dost vysokou šanci na složení úplného genomu dominantního druhu nebo možná 70 až 80 procent různých druhů.“
Chivian říká: „Ale místo toho jsme objevili, že ve vzorku je přítomen pouze jeden jediný organismus. Více než 99,9 procenta DNA pocházelo od jediného organismu a ten nepatrný zbytek vypadal jako stopová kontaminace z dolu a laboratoře.“
Práce na sekvenci vedl Alla Lapidus z Genomics Division v Berkeley Lab. Ještě před dokončením analýzy bylo evidentní, že jde o pozoruhodný genom jediného druhu. Genom nebyl tak ustálený, jak by se dalo očekávat od organismu žijícího v něčem, co je možné považovat za velmi stabilní životní prostředí. U takových ustálených bakterií by se dalo odhadovat, že mají okolo 1 500 genů, zatímco D. audaxviator má 2 157 proteiny kódujících genů – malých, a těžko odhalitelných.
I přesto, že jde o malý genový soubor, takdocela dobře vzdoroval svému odhalení genomovou analýzou provedenou Chivianem, Arkinem a Paramvirem Dehalem z PBD a Ericem Almem z MIT. Přitom tento genom obsahoval naprosto všechno, co organismus potřebuje, aby si udržel nezávislou existenci a reprodukci, včetně schopnosti začleňovat prvky potřebné pro svůj život z anorganických zdrojů, volného pohybu a ochrany před viry, nepříznivými podmínkami a obdobími s nedostatkem živin tím, že umí vytvořit spóru.
„Jednou z otázek, která se objevuje, když uvažujeme o schopnosti ostatních planet udržet si život, je, zda živé organismy mohou existovat nezávisle a bez přístupu ke sluneční energii,“ říká Chivian. „Odpověď je jasná ano – a tady máme živoucí důkaz tohoto tvrzení. Je to tak nějak zvláštně filozoficky vzrušující, když víme, že všechno, co je potřeba k životu, může být zabaleno do jediného nepříliš rozsáhlého genomu.“
Předchozí práce určila sulfáty, jako pohotově dostupný zdroj energie v prostředí, kde žije D. audaxviator. D. audaxviator má nejenom vybavení k redukci sulfátů, tato schopnost je podpořena doplňkovými geny, o kterých se zdá, že byly vypůjčeny od archaeí horizontálním přenosem genů, tedy začleňováním genetického materiálu od nepříbuzných druhů. Archaea druh odlišný od bakterií, jež poprvé upoutal pozornost až, když byly objeveny jeho extremofilní druhy, ačkoliv mnoho dalších druhů archaeí bylo objeveno dávno předtím. Zhruba 280 typů bakterií a 44 typů archaeí bylo objeveno v mikrobiálních společenstvích i v jihoafrických dolech.
D. audaxviator může získávat uhlík z mnoha zdrojů v závislosti na místních podmínkách. Může trávit cukry a aminokyseliny, což naznačuje, že by jedním zdrojem uhlíku mohly být mrtvé buňky ostatních mikrobů v lokalitách, kde to koncentrace takových buněk dovoluje. Ale v roztoku z úrovně 104, kde je hustota biologického materiálu velmi nízká, je D. audaxviator schopen přežít, protože jeho genom také obsahuje geny umožňující organismu získávat uhlík z oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, bikarbonátu a dalších nebiologických zdrojů.
Jeho dusík pochází z amoniaku, který se uvolňuje z hornin a je rozpuštěn v roztoku, ale D. audaxviator má také gen pro enzym nitrogenázu, který se vyskytuje rovněž u vysokoteplotních archaeí.
Další geny, které má společné s archaei, mu propůjčují takové vlastnosti jako je například ochrana proti virům. Ale mají také jeden systém vlastní ochrany, který je naprosto jedinečný pro bakteriální kmen, do kterého patří D. audaxviator, tím je schopnost tvořit endospory, které chrání DNA a RNA od vysušení, před teplem, vyhladověním a chemickým útokem. Jako mnoho bakterií, tak i D. audaxviator je vybaven bičíkem, který mu umožňuje aktivní pohyb ke zdrojům živin, které se mohou nacházet v pórech hornin a na dalších minerálních površích.
Nicméně, existuje jedna věc, kterou D. audaxviator nezvládne. Nedokáže odolat kyslíku, což naznačuje, že nebyl po dlouhou dobu vystaven čistému kyslíku. Aby si D. audaxviator vyvinul svůj mnohostranný genom, jehož klíčové součásti jsou společné s archaei, musel být na své hloubkové cestě po mnoho generací, možná tak dlouho, jako voda ve zlomech odkud byl zachycen, které se na povrchu neobjevily po dlouhé miliony let.
„Část síly komparativní genomiky vychází ze skutečnosti, že nyní máme genomy více než tisícovky bakterií a archaeí a víme, co mnoho z těchto genů umí dělat,“ říká Chivian. „Zjednodušeně řečeno nám to dovoluje pohlížet na nové genomy a skládat metabolismy „cvalíků“ zase dohromady, a to na základě podobnosti genů v genomech těchto prostudovanějších mikroorganismů. To je zvláště mocným nástrojem pro pochopení nových mikroorganismů z prostředí, která nejsou tak dobře poznána.“
V tuto chvíli je jisté, že se jedná o jeden z nejosamělejších organismů na Zemi.