Spitsbergen od dawna przyciąga uwagę naukowców ze względu na swoją prostotę. Jego nieskomplikowany ekosystem, szczególnie narażony na wpływ zmieniających się warunków klimatycznych, pozwala wyraźnie obserwować zmiany zachodzące w środowisku. Ta surowa pustynia polarna stanowi więc naturalne laboratorium dla badaczy z całego świata. Ocieplenie klimatu i topnienie lodowców drastycznie zaburzają kruchą równowagę tego regionu.
Silnym paliwem dla rozwoju ekosystemów w mroźnej Arktyce jest guano, czyli naturalny nawóz powstający z ptasich odchodów.
W glebie wzbogaconej takim guanem naukowcy odkryli dwa nowe gatunki bakterii, które nazwano Gelidimonas denitrificans oraz Gelidimonas diazotrophica. Bakterie te uczestniczą w przemianach azotu, w tym w powstawaniu podtlenku azotu – gazu cieplarnianego o silniejszym oddziaływaniu na proces globalnego ocieplenia niż dwutlenek węgla.
Bakterie te zostały scharakteryzowane przez interdyscyplinarny zespół badaczy z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN oraz University of York (UK).
Pracami kierowali prof. dr hab. Dariusz Bartosik z Zakładu Genetyki Bakterii oraz dr hab. Renata Matlakowska, prof. ucz., z Zakładu Geomikrobiologii, oboje z Instytutu Mikrobiologii Wydziału Biologii UW.
W badaniach uczestniczyła również studentka Julia Brzykcy. To ona podczas prac terenowych pobrała próbkę gleby, z której wyizolowano dwa szczepy reprezentujące nowy rodzaj taksonomiczny bakterii.
Ptak o wdzięcznej nazwie Alle alle
Badania nad bakteriami zimnolubnymi rozpoczęto w Zakładzie Genetyki Bakterii Wydziału Biologii UW już w 2010 roku.
Tym razem naukowcy wzięli pod lupę lęgowiska małego arktycznego ptaka – alczyka (łac. Alle alle). Zamieszkuje on klify mroźnych wysp Arktyki, a guano tego gatunku jest wymywane z topniejących lodowców i trafia do niżej położonych warstw ekosystemu. Tam zasila zielone dywany roślinności.
Wcześniejsze badania wykazały, że gleby ornitogeniczne (czyli wzbogacone ptasimi odchodami) w rejonie Hornsundu mogą stanowić istotne źródło podtlenku azotu. Nie było jednak jasne, które mikroorganizmy odpowiadają za ten proces
Z próbki gleby ornitogenicznej, pobranej w pobliżu kolonii lęgowej alczyka, wyizolowano dwa szczepy bakterii, D2 i D11. Choć są blisko spokrewnione, wyraźnie różnią się sposobem pozyskiwania energii i węgla.
– Gelidimonas denitrificans D11 i Gelidimonas diazotrophica D2 różnią się znacząco strategią pozyskiwania energii i węgla. G. denitrificans jest heterotrofem, co oznacza, że wykorzystuje związki organiczne zarówno jako źródło energii, jak i węgla do budowy biomasy. Natomiast G. diazotrophica funkcjonuje chemolitoautotroficznie – pozyskuje energię z utleniania związków nieorganicznych, a węgiel asymiluje z dwutlenku węgla. Różnice metaboliczne wpływają na ich rolę ekologiczną, jednak oba organizmy mogą uczestniczyć w przemianach azotu prowadzących do powstawania N₂O, zwłaszcza w warunkach ograniczonej dostępności tlenu, gdy denitryfikacja staje się dominującym sposobem oddychania – mówi prof. dr hab. Dariusz Bartosik.
N₂O silnie wpływa na efekt cieplarniany – ten gaz zatrzymuje ciepło w atmosferze kilkaset razy skuteczniej niż CO₂, a dodatkowo przyczynia się do niszczenia warstwy ozonowej. Podtlenek azotu ma więc podwójnie niekorzystny wpływ na system klimatyczny Ziemi.
Genetyczni bracia, a jednak różni
Aby ustalić, jak blisko spokrewnione są oba szczepy i gdzie należy umieścić je w systematyce bakterii, naukowcy najpierw porównali sekwencje genu 16S rRNA, często wykorzystywanego do identyfikacji mikroorganizmów. W przypadku szczepów D2 i D11 podobieństwo wyniosło aż 99,6 proc.
Według klasycznych kryteriów mikrobiologii wynik przekraczający 98,5 proc. zwykle sugeruje, że badane bakterie należą do tego samego gatunku.
Tym razem jednak analiza całych genomów wykazała, że są to dwa odrębne gatunki, które nie pasują również do żadnego z opisanych wcześniej rodzajów bakterii.
– Analiza filogenomiczna oparta na porównaniu genów rdzeniowych wykazała, że obydwa analizowane szczepy są na tyle odrębne od pozostałych przedstawicieli rodziny Oxalobacteraceae, iż zasadne było zaklasyfikowanie ich do nowego rodzaju taksonomicznego. Geny rdzeniowe są konserwatywnymi elementami genomu, obecnymi u wszystkich porównywanych organizmów i odpowiedzialnymi za podstawowe procesy komórkowe, dlatego stanowią wiarygodną podstawę do rekonstrukcji relacji ewolucyjnych. Wykorzystanie tego typu markerów pozwala na uzyskanie bardziej precyzyjnego obrazu pokrewieństwa między organizmami niż analizy oparte na pojedynczych genach. W przeciwieństwie do klasycznej filogenetyki, wykorzystującej najczęściej sekwencję genu 16S rRNA, filogenomika uwzględnia jednoczesną analizę setek lub nawet tysięcy genów, co znacząco zwiększa rozdzielczość i wiarygodność wnioskowania taksonomicznego. Dzięki temu przeprowadzone analizy filogenomiczne dostarczają aktualnego i kompleksowego obrazu relacji taksonomicznych w obrębie całej rodziny Oxalobacteraceae – wyjaśnia naukowiec.
Autorzy nie tylko wyizolowali nowe gatunki, ale też zdefiniowali cały nowy rodzaj mikroorganizmów, opisany jako Gelidimonas. Nazwa pochodzi od łacińskiego słowa gelidus (chłodny, lodowaty) oraz greckiego monas (pojedynczy organizm).
Nowy rodzaj należy bezpośrednio do rodziny bakterii Oxalobacteraceae. Badacze zidentyfikowali 40 białek obecnych we wszystkich dziewięciu wysokiej jakości genomach rodzaju Gelidimonas, których nie znaleziono w żadnym ze 184 szczepów typowych innych gatunków z rodziny Oxalobacteraceae.
– Na podstawie wyników analiz filogenomicznych do rodzaju Gelidimonas zaklasyfikowano zarówno gatunki G. denitrificans i G. diazotrophica, jak również tzw. genomowe jednostki taksonomiczne reprezentowane przez tzw. MAGi (Metagenome-Assembled Genomes). MAG oznacza genom zrekonstruowany na podstawie danych metagenomicznych, czyli dużej mieszaniny sekwencji DNA pochodzących od wielu organizmów występujących w badanym środowisku. Dzięki analizom bioinformatycznym możliwe jest odtworzenie genomów organizmów bez konieczności ich izolacji i uzyskania czystej hodowli. W związku z tym MAGi mogą reprezentować nieopisane dotychczas gatunki lub bliskich krewnych gatunków już scharakteryzowanych, a ich przypisanie do rodzaju Gelidimonas wskazuje na wspólne pochodzenie ewolucyjne potwierdzone analizami genomowymi – podkreśla prof. Bartosik.
Czy polarne bakterie skolonizują nasze lodówki?
Bakterie psychrofilne, czyli zimnolubne, najlepiej funkcjonują w niskich temperaturach. Średnia temperatura gleby, z której naukowcy pobrali próbki, wynosiła około 7,6°C.
Oba badane szczepy rosły najlepiej w temperaturze 10°C, ale różniły się górną granicą tolerancji: szczep D2 nie rósł powyżej 20°C, a D11 już powyżej 15°C.
Wzrostu żadnego z nich nie obserwowano natomiast w temperaturach niższych niż 5°C.
Mówiąc obrazowo, pod względem samej temperatury bliżej im więc do wnętrza naszej lodówki niż do ciepłego blatu kuchennego. Nie musimy jednak obawiać się inwazji na zapasy jedzenia.
Badanie dotyczyło bakterii wyizolowanych z arktycznej gleby i nie daje podstaw, by sądzić, że mogłyby skolonizować sztuczny ekosystem, taki jak środowisko domowe.
Ich temperaturowe preferencje wiążą się jednak z innym, znacznie poważniejszym problemem.
Chłodne gatunki i klimatyczny kryzys
Ocieplenie obszarów polarnych prowadzi do rozmarzania zmarzliny, zwiększa dostępność składników odżywczych i zmienia dopływ materii organicznej. Czynniki te mogą pobudzać metabolizm mikroorganizmów oraz wpływać na obieg węgla i azotu.
Wzrost temperatury gleby do wartości mieszczących się w zakresie sprzyjającym rozwojowi takich bakterii może więc zwiększać ich aktywność i wpływać na emisję N₂O. Nie działa tu jednak prosta zasada: im cieplej, tym lepiej.
Analiza pełnych genomów pokazała, że bakterie z rodzaju Gelidimonas wyróżniają się na tle innych przedstawicieli rodziny Oxalobacteraceae. Jest to jedyny opisany dotąd rodzaj tej rodziny obejmujący wyłącznie szczepy zimnolubne. Odkrycie może więc pomóc w badaniach nad mechanizmami, dzięki którym mikroorganizmy przystosowują się do życia w skrajnie niskich temperaturach.
Postępujące ocieplenie klimatu i rozmarzanie zmarzliny (niegdyś nazywanej „wieczną”) mogą pobudzać metabolizm mikroorganizmów polarnych, takich jak Gelidimonas denitrificans i Gelidimonas diazotrophica, zmieniać przebieg obiegu azotu i sprzyjać emisji podtlenku azotu, nasilając globalny kryzys klimatyczny i niszczenie warstwy ozonowej.
Pozostaje nam więc tylko mieć nadzieję, że te polarne mikroby nie wrzucą nagle wyższego biegu, bo wizja, w której na przyszłość ziemskiego klimatu wpływa także tempo pracy bakterii w ptasiej toalecie na Spitsbergenie, brzmi źle.
