Амеба Incendiamoeba cascadensis обитает в горячих источниках при температуре 60 °C, меняя представления о пределах возможностей сложных форм жизни.
Температура оказывает огромное влияние на живые организмы, поскольку она влияет на стабильность и функционирование ферментов и биологических систем. Термофилы, то есть организмы, обитающие при температуре 45 °C и выше, обладают целым рядом уникальных приспособлений, позволяющих им выживать в условиях высокой температуры. Хотя было установлено, что некоторые термофильные бактерии и археи растут при температурах, превышающих 100 °C, предел выживаемости эукариот, согласно предыдущим исследованиям, оценивается в 60 °C.
Недавно ученые обнаружили амебу, которая постоянно обитает при температуре 63 °C, побив рекорд самого теплоустойчивого эукариота. В исследовании, опубликованном в журнале Cell, учёные описали, как этот одноклеточный организм, который они назвали Incendiamoeba cascadenis (что в вольном переводе означает «огненная амеба из горного хребта Каскад»), выживает и процветает в горячих источниках Национального парка Лассен-Вулканик (США). Эти открытия переопределяют верхние пределы термоустойчивости эукариот. Как потенциально эукариотический термофил, I. cascadensis может предоставить уникальные термостабильные белки и другие молекулы для биотехнологии.
Чтобы лучше охарактеризовать теплоустойчивых эукариот, Анжела Оливерио, микробиолог-эколог из Сиракузского университета, и её группа собрали пробы воды, биоплёнок и отложений из разных мест притока горячего источника в Национальном парке Лассен-Вулканик. Температура воды колебалась в пределах 49–64 °C, но она в основном была нейтральной, не опускаясь ниже pH 6. Когда исследователи культивировали эти образцы в лаборатории для изучения присутствующих в них эукариотических сообществ, они заметили, что одна амеба прекрасно развивалась при температуре 57 °C — температуре, которую ранее считали верхним пределом для этих организмов. Более того, когда исследователи повысили температуру, амеба, позже получившая название I. cascadensis, оставалась активной и продолжала делиться вплоть до 63 °C.
Исследователи секвенировали этот экстремальный микроорганизм, построили филогенетическое дерево на основе 102 генов и обнаружили, что эта новая амеба относится к той же кладе, что и род Echinamoeba — ранее известная амеба, растущая при самых высоких температурах. Видом, наиболее генетически сходным с I. cascadensis, оказалась Vermamoeba vermiformis, которая может расти при температуре от комнатной до 45 °C. Исследователи использовали этот вид в качестве эталона для своих морфологических исследований.
С помощью световой и сканирующей электронной микроскопии Оливерио и её коллеги обнаружили, что I. cascadensis имеет удлинённую, червеобразную форму и компактную амебоидную структуру с псевдоподиями. Эти характеристики были схожи с признаками V. vermiformis, однако исследователи отметили, что I. cascadensis прикрепляется к поверхностям на более короткие промежутки времени и занимает меньшую площадь, чем её сестринский вид, что указывает на молекулярные или биофизические различия.
На основании исследований кривых роста Оливерио и её коллеги показали, что I. cascadensis растёт в диапазоне температур 42–63 °C, причём пик её активности и размножения приходится на 57 °C. Это позволяет предположить, что новая амеба является облигатным термофилом, а не просто переносит повышенные температуры. При 64 °C амеба начинала образовывать вокруг себя цисту, но при возвращении в более подходящие температурные условия I. cascadensis возобновляла рост и активность. Она могла делать это при температурах до 70 °C, после чего выживание становилось невозможным.
Далее исследователи применили секвенирование с длинными прочтениями и сравнили гены I. cascadensis с генами V. vermiformis и других близкородственных термофилов. В целом у I. cascadensis было 6 919 генов, что составляет более 50% от предполагаемого числа генов амебы, которые были уникальны для этого вида. Исследователи также обнаружили, что пути и белки, участвующие в термотолерантности, такие как кальциевая сигнализация и белки теплового шока, были в большей степени представлены у I. cascadensis, чем у других амеб.
Чтобы изучить, как высокие температуры регулируют экспрессию генов, исследователи выращивали I. cascadensis при 48 °C и 61 °C. При более высокой температуре амеба активировала гены, связанные с шаперонными белками, системой убиквитина, путями репарации и поддержания ДНК, а также с белками, участвующими в мембранном транспорте. В то же время исследователи обнаружили, что экспрессия генов, связанных с энергетическим обменом и биосинтезом, при более высоких температурах снижалась. Эти результаты схожи с ранее описанными стратегиями термотолерантности.
Завершая исследование, учёные сравнили биофизические свойства наиболее распространённых белков I. cascadensis с белками 13 других термофильных организмов и их ортологами. Они обнаружили, что белки I. cascadensis содержат меньше гидрофобных аминокислот на своей поверхности, что, возможно, помогает предотвратить агрегацию, обусловленную склонностью этих остатков к скоплению. Кроме того, в белках этой амебы наблюдалось большее содержание положительно заряженных поверхностных остатков по сравнению с аминокислотами с отрицательным зарядом. Другие термофильные организмы также обладают этой особенностью, что позволяет предположить, что это может быть примером конвергентной эволюции. «Это открытие расширяет границы того, что мы считали возможным, и это невероятно воодушевляет», — говорит Оливерио. «Возможно, существует больше эукариот, способных выживать при ещё более высоких температурах, чем те, о которых мы знаем».
