Некоторые участки генетического материала биологи называют «прыгающими генами». Никаких настоящих прыжков, конечно, не происходит. Мобильный генетический элемент создаёт копию самого себя, покидает прежнее место и встраивается в другой участок генома. Подобные перемещения иногда меняют работу клетки, добавляют ей новые свойства и со временем влияют на эволюцию целых видов.
До сих пор считалось, что между разными организмами такие генетические пассажиры путешествуют главным образом внутри вирусов или плазмид, небольших молекул ДНК, способных переходить из клетки в клетку. Теперь исследователи обнаружили ещё один возможный маршрут: кольцевая молекула РНК может самостоятельно покидать один микроорганизм и проникать в другой.
Необычную молекулу обнаружили в медленно растущем сообществе бактерий и архей, которое производит метан. Микроорганизмы поэтапно перерабатывают лимонен, вещество с характерным запахом апельсиновой кожуры. В бескислородной среде исходное соединение постепенно превращается в метан и углекислый газ.
Среди обитателей сообщества преобладала чрезвычайно мелкая хищная бактерия Candidatus Velamenicoccus archaeovorus. Слово Candidatus в названии означает, что микроорганизм пока не удалось вырастить в чистой лабораторной культуре и полностью описать по стандартным правилам микробиологии.
Хищник питается другими микроорганизмами, участвующими в переработке лимонена. Одной из его жертв стала Methanothrix soehngenii, метаногенная архея, клетки которой выстраиваются в длинные нити. Представители рода Methanothrix перерабатывают ацетат и играют заметную роль в образовании метана в бескислородных экосистемах.
Под микроскопом внутри нитей Methanothrix soehngenii обнаружились отдельные погибшие клетки, тогда как соседние участки оставались целыми. Исследователи заподозрили нападение Candidatus Velamenicoccus archaeovorus, но одного внешнего наблюдения было недостаточно. Связать гибель археи с хищником могла только молекула, принадлежавшая бактерии и найденная внутри мёртвой клетки.
Подходящим маркером оказался мобильный интрон из гена 23S рибосомной РНК хищника. Рибосомная РНК входит в состав рибосом, клеточных структур, которые собирают белки. Интроном называют участок последовательности, удаляемый из молекулы РНК перед дальнейшей работой.
Найденный интрон умеет вырезать себя самостоятельно, без помощи белкового фермента. Молекулы РНК с подобной способностью называют рибозимами, поскольку они не только несут информацию, но и ускоряют химические реакции.
После вырезания интрон замыкается в кольцо и продолжает существовать отдельно от основной молекулы РНК. Такая структура позволила использовать его как метку для поиска следов хищника внутри погибшей археи.
Задачу осложняло крайне малое количество нужной РНК. На одну молекулу интрона или его невырезанного предшественника приходились десятки тысяч зрелых молекул 23S рибосомной РНК, поэтому обычная микроскопия не смогла бы заметить редкую последовательность.
Для поиска использовали специально созданные нуклеиновые зонды. Короткие молекулы связывались только с РНК нужного интрона и создавали различимый сигнал под микроскопом. Метод показывал местоположение мобильного элемента, не разрушая структуру микробного сообщества.
Сигнал обнаружили в живых клетках Candidatus Velamenicoccus archaeovorus, где интрон образуется естественным образом, а затем и в мёртвых клетках Methanothrix soehngenii. Последовательность заметно отличалась от генетического материала археи, поэтому могла принадлежать только хищной бактерии.
Исследователи фактически поймали прыгающий ген в момент неудачного переселения. Интрон добрался до организма из другой ветви клеточной жизни, но попал в уже погибшую клетку. Внутри археи не осталось ДНК и рибосомной РНК, необходимых живому микроорганизму, поэтому мобильный элемент не смог закрепиться и начать размножаться.
Пережить гибель клетки интрону помогла кольцевая форма. Большинство молекул РНК напоминают длинные нити со свободными концами, с которых ферменты начинают разрушать цепочку. После смерти клетки линейная РНК поэтому обычно быстро распадается.
У замкнутого кольца нет открытых концов, за которые могли бы зацепиться разрушающие ферменты. Благодаря этому интрон сохранился достаточно долго, чтобы его удалось обнаружить.
Кольцевые РНК встречаются и в человеческих клетках, где участвуют в регулировании генов и обмена веществ. Их связь с развитием опухолей и других заболеваний продолжают изучать, а устойчивость подобных молекул интересует разработчиков РНК-препаратов и вакцин.
Как именно интрон проник в архею, пока неизвестно. Передача могла произойти при тесном контакте с хищником, после повреждения клеточной оболочки или вместе с веществами, которыми обменивались микроорганизмы. Микроскопические изображения показывают только конечное местоположение РНК.
Полноценный горизонтальный перенос пока не подтверждён. Для него мобильный элемент должен попасть в живую клетку другого вида, встроиться в её генетический материал или начать там размножаться. Исследователи зафиксировали более ранний этап этого пути.