Целостность генома Bacillus velezensis после двухлетнего экспонирования в открытом космосе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Спорообразующие бактерии обладают уникальной устойчивостью к негативным условиям окружающей среды, включая агрессивные факторы космического пространства, и являются прекрасной моделью для изучения молекулярных механизмов адаптации и стратегий выживания. Проведен анализ генома бактерий Bacillus velezensis, оставшихся жизнеспособными после двухлетнего экспонирования в открытом космосе на внешней поверхности Международной космической станции в рамках космического эксперимента “Тест”. Сравнительный анализ черновых версий геномов опытного штамма и наземного контрольного штамма не выявил крупных перестроек генома, средняя нуклеотидная идентичность составила 99.98%, что свидетельствует о способности микроорганизмов поддерживать стабильность генома в условиях космоса, что обусловлено как повышенной стрессоустойчивостью бактериальных спор, так и эффективной работой системы репарации повреждений ДНК. Сравнение геномов опытного и контрольного штаммов B. velezensis выявило девять точечных замен, три из которых находятся в межгенных участках, шесть в белоккодирующих генах, из них три миссенс-мутации, две делеции нуклеотидов, приводящие к сдвигу рамки считывания, одна синонимическая замена. Определены профили генов “домашнего хозяйства”. При проведении типирования MLST, установлено, что аллельные профили штаммов B. velezensis T15.2 и 924 не соответствуют ни одному из описанных ранее типов нуклеотидной последовательности. Представленные результаты свидетельствуют о способности бактерий B. velezensis длительное время сохранять жизнеспособность спор и целостность генома в экстремальных условиях открытого космоса, что важно для проблемы планетарной защиты, а также возможности осуществления биотехнологических процессов на основе B. velezensis при освоении космоса.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Фиалкина

Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем Российской академии наук; Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии им. почетного академика Н.Ф. Гамалеи

Автор, ответственный за переписку.
Email: fialkina-fsv@mail.ru
Россия, Москва, 123007; Москва, 123098

Е. А. Дешевая

Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Email: fialkina-fsv@mail.ru
Россия, Москва, 123007

А. Л. Ракитин

Федеральный исследовательский центр “Фундаментальные основы биотехнологии” Российской академии наук

Email: fialkina-fsv@mail.ru

Институт биоинженерии им. К.Г. Скрябина

Россия, Москва, 119071

О. И. Орлов

Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Email: fialkina-fsv@mail.ru
Россия, Москва, 123007

Список литературы

  1. Horneck G., Klaus D.M., Rocco L. (2010) Space Microbiology. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 74, 121–156.
  2. Horneck G., Bucker H., Reitz G. (1994) Long-term survival of bacteria spores in space. Adv. Space Res. 14, 41–45.
  3. Rabbow E., Rettberg P., Barczyk S., Bohmeier M., Parpart A., Panitz C., Horneck G., Burfeindt J., Molter F., Jaramillo F. (2015) The astrobiological mission EXPOSE-R on board of the International Space Station. Int. J. Astrobiol. 14, 3–16.
  4. Баранов И.М., Новикова Н.Д., Поликарпов Н.А., Сычев В.Н., Левинских М.А., Алексеев В.Р., Окуда Т., Сугимото М., Гусев О.А., Григорьев А.И. (2009) Эксперимент “Биориск”: 13-месячная экспозиция покоящихся форм организмов на внешней стороне Российского сегмента Международной космической станции (предварительные результаты). Доклады РАН. 426, 206–209.
  5. de La Torre R., Sancho L.G., Horneck G., de los Ríos A., Wierzchos J., Olsson-Francis K., Cockell C.S., Rettberg P., Berger T., de Vera J.P.P., Ott S., Frías J.M., Melendi P.G., Lucas M.M., Reina M., Pintado A., Demets R. (2010) Survival of lichens and bacteria exposed to outer space conditions – results of the Lithopanspermia experiments. Icarus. 208(2), 735–748.
  6. Ott E., Kawaguchi Y., Kölbl D., Rabbow E., Rettberg P., Mora M., Moissl-Eichinger C., Weckwerth W., Yamagishi A., Milojevic T. (2020) Molecular repertoire of Deinococcus radiodurans after 1 year of exposure outside the International Space Station within the Tanpopo mission. Microbiome. 8(1), 150.
  7. Nicholson W.L., Moeller R., Horneck G. (2012) Transcriptomic responses of germinating Bacillus subtilis spores exposed to 1.5 years of space and simulated martian conditions on the EXPOSE-E experiment PROTECT. Astrobiology. 12(5), 469–486.
  8. Vaishampayan P.A., Rabbow E., Horneck G., Venkateswaran K.J. (2012) Survival of Bacillus pumilus spores for a prolonged period of time in real space conditions. Astrobiology. 12(5), 487–497.
  9. Mastroleo F., Van Houdt R., Leroy B., Benotmane M.A., Janssen A., Mergeay M., Vanhavere F., Hendrickx L., Wattiez R., Leys N. (2009) Experimental design and environmental parameters affect Rhodospirillum rubrum S1H response to space flight. ISME J. 3(12), 1402–1419.
  10. Wilson J.W., Ott C.M., Honer zu Bentrup K., Ramamurthy R., Quick L., Porwollik S., Cheng P., McClelland M., Tsaprailis G., Radabaugh T., Hunt A., Fernandez D., Richter E., Shah M., Kilcoyne M., Joshi L., Nelman-Gonzalez M., Hing S., Parra M., Dumars P., Norwood K., Bober R., Devich, J. Ruggles A., Goulart C., Rupert M., Stodieck L., Stafford P., Catella L., Schurr M.J., Buchanan K., Morici L., McCracken J., Allen P., Baker-Coleman C., Hammond T., Vogel J., Nelson R., Pierson D.L., Stefanyshyn-Piper H.M., Nickerson C.A. (2007) Space flight alters bacterial gene expression and virulence and reveals a role for global regulator Hfq. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104(41), 16299–16304.
  11. Klaus D.M., Howard H.N. (2006) Antibiotic efficacy and microbial virulence during space flight. Trends Biotechnol. 24, 131–136.
  12. Su L., Chang D., Liu C. (2013) The development of space microbiology in the future: the value and significance of space microbiology research. Future Microbiol. 8, 5–8.
  13. Ошуркова В.И., Дешевая Е.А., Сузина Н.Е., Шубралова Е.В., Щербакова В.А. (2021) Метаногенные археи в условиях космоса. Авиакосмическая и экологическая медицина. 55(1), 63–69.
  14. Deshevaya Е.А., Shubralova E.V., Fialkina S.V., Guridov А.А., Novikova N.D., Tsygankov O.S., Lianko P.S., Orlov О.I., Morzunov S.P., Rizvanov A.A., Nikolaeva I.V. (2020) Microbiological investigation of the space dust collected from the external surfaces of the international space station. BioNanoScience. 10, 81–88.
  15. MagocT., Salzberg S. (2011) FLASH: fast length adjustment of short reads to improve genome assemblies. Bioinformatics. 27(21), 2957–2963.
  16. Aziz R.K., Bartels D., Best A.A., DeJongh M., Disz T., Edwards R.A., Formsma K., Gerdes S., Glass E.M., Kubal M., Meyer F., Olsen G.J., Olson R., Osterman A.L., Overbeek R.A., McNeil L.K., Paarmann D., Paczian T., Parrello B., Pusch G.D., Zagnitko O. (2008) The RAST Server: rapid annotations using subsystems technology. BMC Genomics. 9, 75.
  17. Langdon W.B. (2015) Performance of genetic programming optimised Bowtie2 on genome comparison and analytic testing (GCAT) benchmarks. BioData Min. 8, 1.
  18. Bankevich A., Nurk S., Antipov D., Gurevich A.A., Dvorkin M., Kulikov A.S., Lesin V.M., Nikolenko S.I., Pham S., Prjibelski A.D., Pyshkin A.V., Sirotkin A.V., Vyahhi N., Tesler G., Alekseyev M.A., Pevzner P.A. (2012) SPAdes: a new genome assembly algorithm and its applications to single-cell sequencing. J. Comput. Biol. 19(5), 455–477.
  19. Liang Q., Liu C., Xu R., Song M., Zhou Z., Li H., Dai W., Yang M., Yu Y., Chen H. (2021) fIDBAC: a platform for fast bacterial genome identification and typing. Front. Microbiol. 18, 723577.
  20. Saitou N., Nei M. (1987). The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Mol. Biol. Evol. 4, 406–425.
  21. Tamura K., Stecher G., Kumar S. (2021) MEGA 11: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 11. Mol. Biol. Evol. 25, 3022–3027.
  22. Jolley K.A., Bliss C.M., Bennett J.S., Bratcher H.B., Brehony C., Colles F.M., Wimalarathna H., Harrison O.B., Sheppard S.K., Cody A.J., Maiden M.C.J. (2012) Ribosomal multilocus sequence typing: universal characterization of bacteria from domain to strain. Microbiology (Reading). 158(Pt 4), 1005–1015.
  23. Chaumeil P.A., Mussig A.J., Hugenholtz P., Parks D.H. (2019) GTDB-Tk: a toolkit to classify genomes with the Genome Taxonomy Database. Bioinformatics. 36(6), 1925–1927.
  24. Ruiz-García C., Béjar V., Martínez-Checa F., Llamas I., Quesada E. (2005) Bacillus velezensis sp. nov., a surfactant-producing bacterium isolated from the river Vélez in Málaga, southern Spain. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 55(Pt 1), 191–195.
  25. Moeller R., Setlow P., Horneck G., Berger T., Reitz G., Rettberg P., Doherty A.J., Okayasu R., Nicholson W.L. (2008) Roles of the major, small, acid-soluble spore proteins and spore-specific and universal DNA repair mechanisms in resistance of Bacillus subtilis spores to ionizing radiation from X rays and high-energy charged-particle bombardment. J. Bacteriol. 190, 1134–1140.
  26. Moeller R., Reitz G., Berger T., Okayasu R., Nicholson W.L., Horneck G. (2010) Astrobiological aspects of the mutagenesis of cosmic radiation on bacterial spores. Astrobiology. 10(5), 509–521.
  27. Hullo M.F., Moszer I., Danchin A., Martin-Verstraete I. (2001) CotA of Bacillus subtilis is a copper-dependent laccase. J. Bacteriol. 183, 5426–5430.
  28. Lenhart J.S., Schroeder J.W., Walsh B.W., Simmons L.A. (2012) DNA repair and genome maintenance in Bacillus subtilis. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 76, 530–564.
  29. Rebeil R., Sun Y., Chooback L., Pedraza-Reyes M., Kinsland C., Begley T.P., Nicholson W.L. (1998) Spore photoproduct lyase from Bacillus subtilis spores is a novel iron-sulfur DNA repair enzyme which shares features with proteins such as class III anaerobic ribonucleotide reductases and pyruvate-formate lyases. J. Bacteriol. 180, 4879–4885.
  30. Liu Y., Jeraldo P., Herbert W., McDonough S., Eckloff B., de Vera J.P., Cockell C., Leya T., Baqué M., Jen J., Schulze-Makuch D., Walther-Antonio M. (2022) Non-random genetic alterations in the cyanobacterium Nostoc sp. exposed to space conditions. Sci. Rep. 12(1), 12580.
  31. Setlow P. (2014) Spore resistance properties. Microbiol. Spectr. 2(5), TBS-0003-2012.
  32. Chiang A.J., Mohan G.B.M., Singh N.K., Vaishampayan P.A., Kalkum M., Venkateswaran K. (2019) Alteration of proteomes in first-generation cultures of Bacillus pumilus spores exposed to outer space. mSystems. 4(4), e00195-19. doi: https://doi.org/10.1128/msystems.00195-19
  33. Peyvan K., Karouia F., Cooper J.J., Chamberlain J., Suciu D., Slota M., Pohorille A. (2019) Gene expression measurement module (GEMM) for space application: design and validation. Life Sci. Space Res. 22, 55–67.
  34. Olsson-Francis K., Doran P.T., Ilyin V., Raulin F., Rettberg P., Kminek G., Mier M.Z., Coustenis A., Hedman N., Shehhi O.A., Ammannito E., Bernardini J., Fujimoto M., Grasset O., Groen F., Hayes A., Gallagher S., Kumar K.P., Mustin C., Nakamura A., Seasly E., Suzuki Y., Peng J., Prieto-Ballesteros O., Sinibaldi S., Xu K., Zaitsev M. (2023) The COSPAR planetary protection policy for robotic missions to Mars: a review of current scientific knowledge and future perspectives. Life Sci. Space Res. (Amst). 36, 27–35.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Нуклеотидная идентичность (%) геномов B. velezensis 15.2 и референс-штамма B. velezensis 924.

Скачать (119KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Филогенетическое дерево изучаемых штаммов и родственных ST-типов B. velezensis, построенное методом связывания ближайших соседей с использованием слитых нуклеотидных последовательностей генов домашнего хозяйства. Эволюционные расстояния представлены в единицах количества замен оснований на сайт.

Скачать (181KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Филогенетическое дерево, построенное на основании анализа 120 маркерных генов с использованием базы данных Genome Taxonomy Database. Дерево построено методом связывания ближайших соседей. Эволюционные расстояния представлены в единицах количества замен оснований на сайт.

Скачать (247KB)
Метаданные
5. Приложение 1
Скачать (11KB)
Метаданные
6. Приложение 2
Скачать (11KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024