Горизонтальный перенос генов (HGT) способствует появлению новых метаболических путей и расширению экологической ниши за счёт передачи готовых функциональных модулей и регуляторов между микроорганизмами. Ключевые механизмы и эффекты:
- Механизмы передачи: трансформация (включение свободной ДНК), трансдукция (фаги), конъюгация (плазмиды), транспозоны и интегрирующие элементы. Эти элементы часто переносят связанные гены — целые наборы для катаболизма или транспорта.
- Сборка новых путей: получение одного или нескольких ферментативных звеньев может дополнять существующие реакции реципиента и формировать путь, например $...S\to I\to P...$, где один из ферментов был получен с помощью HGT. Часто передаются блоки генов (операоны, плазмидные кластеры), дающие сразу полный или почти полный путь.
- Регуляция и экспрессия: вместе с каталитическими генами нередко переходят регуляторы и промоторы либо мобильные элементы, облегчающие включение и координированную экспрессию новых генов в клетке-приёмнике.
- Синергия с существующей сетью: новые ферменты могут перепрофилировать метаболические потоки, создавать обходные пути, уменьшать энергоцены или расширять диапазон субстратов (например, новый транспортёр + фермент = способность усваивать новый органический компаунд).
- Эволюционное ускорение: HGT даёт готовые решения быстрее, чем случайные мутации и дупликации, что ускоряет адаптацию к новым ресурсам или стрессам.
Последствия для экологической ниши:
- Появление способности использовать новые углерод-, азот- или серосодержащие соединения (например, разложение синтетических загрязнителей или уникальных природных полисахаридов).
- Захват новых биотопов (изменение pH, солёности, наличия токсинов) благодаря приобретению детоксикационных или стресс-устойчивых функций.
- Повышение конкурентоспособности и изменение межвидовых взаимодействий (симбиоз, патогенность, конкуренция за ресурсы).
- Распространение полезных метаболических черт по сообществу через сети HGT, что меняет структуру пищевых цепей и круговороты веществ.
Примеры:
- Плазмидные кластеры деградации ароматических углеводородов в Pseudomonas (толуол, нафталин).
- Приобретение бактериями кишечника японцев генов для расщепления полисахарида морских водорослей (porphyranases) от морских бактерий.
Ограничения и условия успеха:
- Новый ген должен быть интегрирован, правильно экспрессирован и метаболически совместим (кофакторы, субстраты, энергетический баланс).
- Наличие селективного давления (новый субстрат, токсин) увеличивает вероятность сохранения и распространения приобретённой функции.
Вывод: HGT действует как «модульный конструктор» метаболизма — переносит готовые ферментативные комплексы и регуляторы, что позволяет микроорганизмам быстро осваивать новые химические ресурсы и расширять свою экологическую нишу.