Neue Technik findet medizinisch und ökologisch relevante Bakteriengruppen

Neue Methode identifiziert ökologisch und medizinisch relevante Bakteriengruppen.

Die Identifizierung von Arten unter Pflanzen und Tieren ist für einige Biologen eine Vollzeitbeschäftigung. Aber die Aufgabe ist für die unzähligen Mikroben, die den Planeten bewohnen, noch entmutigender. Jetzt, MIT-Forscher haben eine einfache Messung des Genflusses entwickelt, die ökologisch wichtige Populationen unter Bakterien und Archaeen definieren kann. einschließlich der Lokalisierung von Populationen, die mit menschlichen Krankheiten in Verbindung stehen.

Die Genflussmetrik trennt koexistierende Mikroben in genetisch und ökologisch unterschiedlichen Populationen, Martin Polz, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT, und Kollegen schreiben in der 8. August-Ausgabe von Zelle.

Polz und seine Kollegen entwickelten auch eine Methode, um Teile des Genoms in diesen Populationen zu identifizieren, die unterschiedliche Anpassungen aufweisen, die auf verschiedene Umgebungen abgebildet werden können. Als sie ihren Ansatz an einem Darmbakterium testeten, zum Beispiel, Sie konnten feststellen, dass unterschiedliche Populationen der Bakterien mit gesunden Personen und Patienten mit Morbus Crohn in Verbindung gebracht wurden.

Biologen nennen eine Gruppe von Pflanzen oder Tieren oft eine Art, wenn die Gruppe reproduktiv von anderen isoliert ist – d.h. Individuen in der Gruppe können sich miteinander vermehren, aber sie können sich nicht mit anderen reproduzieren. Als Ergebnis, Mitglieder einer Art teilen sich eine Reihe von Genen, die sich von anderen Arten unterscheiden. Ein Großteil der Evolutionstheorie konzentriert sich auf Arten und Populationen, die Vertreter einer Art in einem bestimmten Gebiet.

Aber Mikroben "trotzen dem klassischen Artenkonzept für Pflanzen und Tiere, " erklärt Polz. Mikroben neigen dazu, sich ungeschlechtlich zu vermehren, sich einfach in zwei Teile zu spalten, anstatt ihre Gene mit anderen Individuen zu kombinieren, um Nachkommen zu produzieren. Mikroben sind auch dafür berüchtigt, „DNA aus Umweltquellen aufzunehmen, wie Viren, " sagt er. "Viren können DNA in mikrobielle Zellen übertragen und diese DNA kann in ihre Genome eingebaut werden."

Diese Prozesse erschweren es, koexistierende Mikroben aufgrund ihrer genetischen Ausstattung in verschiedene Populationen einzuteilen. "Wenn wir diese Populationen nicht in Mikroben identifizieren können, Wir können diese reichhaltige ökologische und evolutionäre Theorie, die für Pflanzen und Tiere entwickelt wurde, nicht eins zu eins auf Mikroben anwenden, “, sagt Polz.

Wenn Forscher die Widerstandsfähigkeit eines Ökosystems gegenüber Umweltveränderungen messen wollen, zum Beispiel, sie könnten untersuchen, wie sich Populationen innerhalb von Arten im Laufe der Zeit verändern. „Wenn wir nicht wissen, was eine Spezies ist, Es ist sehr schwierig, diese Arten von Störungen zu messen und zu bewerten, " er addiert.

Ein Maßstab für den Genfluss

Martin und seine Kollegen beschlossen, nach einem anderen Weg zu suchen, um ökologisch sinnvolle Populationen in Mikroben zu definieren. Unter der Leitung von Mikrobiologie-Doktorand Philip Arevalo, Die Forscher entwickelten eine Metrik des Genflusses, die sie PopCOGenT (Populations as Clusters Of Gene Transfer) nannten.

PopCOGenT misst den jüngsten Genfluss oder Gentransfer zwischen eng verwandten Genomen. Im Allgemeinen, mikrobielle Genome, die kürzlich DNA ausgetauscht haben, sollten längere und häufigere Abschnitte identischer DNA teilen, als wenn Individuen sich nur durch Aufspaltung ihrer DNA reproduzieren würden. Ohne diese Art von kürzlichem Austausch, schlugen die Forscher vor, die Länge dieser gemeinsamen Abschnitte identischer DNA würde sich verkürzen, wenn Mutationen neue "Buchstaben" in den Abschnitt einfügen.

Zwei mikrobielle Stämme, die genetisch nicht identisch sind, aber beträchtliche "Stücke" identischer DNA teilen, tauschen wahrscheinlich mehr genetisches Material miteinander aus als mit anderen Stämmen. Diese Genflussmessung kann unterschiedliche mikrobielle Populationen definieren, wie die Forscher bei ihren Tests mit drei verschiedenen Bakterienarten herausfanden.

In Vibrio Bakterien, zum Beispiel, eng verwandte Populationen können einige Kerngensequenzen teilen, aber sie erscheinen durch diese Messung des jüngsten Genflusses vollständig voneinander isoliert, Polz und Kollegen gefunden.

Polz sagt, dass die PopCOGenT-Methode bei der Definition mikrobieller Populationen besser funktionieren könnte als frühere Studien, da sie sich auf den jüngsten Genfluss zwischen eng verwandten Organismen konzentriert. anstatt Genflussereignisse einzubeziehen, die in der Vergangenheit möglicherweise vor Tausenden von Jahren stattgefunden haben.

Die Methode legt auch nahe, dass Mikroben zwar ständig unterschiedliche DNA aus ihrer Umgebung aufnehmen, die die Muster des Genflusses verschleiern könnte, „Es kann sein, dass diese divergente DNA wirklich sehr schnell durch Selektion aus Populationen entfernt wird, “, sagt Polz.

Der umgekehrte Ökologie-Ansatz

Mikrobiologie-Doktorand David VanInsberghe schlug dann einen „umgekehrten Ökologie“-Ansatz vor, der Regionen des Genoms in diesen neu definierten Populationen identifizieren könnte, die „selektive Sweeps“ zeigen – Orte, an denen DNA-Variationen reduziert oder eliminiert werden, wahrscheinlich das Ergebnis einer starken natürlichen Selektion auf eine bestimmte nützliche genetische Variante.

Durch die Identifizierung spezifischer Sweeps innerhalb von Populationen, und Kartierung der Verteilung dieser Populationen, Die Methode kann mögliche Anpassungen aufdecken, die Mikroben dazu bringen, eine bestimmte Umgebung oder einen bestimmten Wirt zu bewohnen – ohne vorherige Kenntnis ihrer Umgebung. Als die Forscher diesen Ansatz am Darmbakterium testeten Ruminococcus gnavus , Sie deckten getrennte Populationen der Mikrobe auf, die mit gesunden Menschen und Patienten mit Morbus Crohn in Verbindung gebracht werden.

Polz sagt, dass die umgekehrte Ökologie-Methode wahrscheinlich in naher Zukunft angewendet werden wird, um die gesamte Vielfalt der Bakterien zu untersuchen, die den menschlichen Körper bewohnen. "Es besteht großes Interesse daran, eng verwandte Organismen im menschlichen Mikrobiom zu sequenzieren und nach Gesundheits- und Krankheitsassoziationen zu suchen. und die Datensätze wachsen."

Er hofft, mit dem Ansatz das "flexible Genom" von Mikroben untersuchen zu können. Stämme von E coli Bakterien, zum Beispiel, teilen etwa 40 Prozent ihrer Gene in einem "Kerngenom", “ während die anderen 60 Prozent – ​​der flexible Teil – je nach Belastung variieren. Es ist eine der größten Fragen der Mikrobiologie:Warum sind diese Genome so unterschiedlich im Gengehalt?“, erklärt Polz. „Wenn wir Populationen als evolutionäre Einheiten definieren können, wir können die Genfrequenzen in diesen Populationen im Lichte evolutionärer Prozesse interpretieren."

Die Ergebnisse von Polz und Kollegen könnten die Schätzungen der Mikrobendiversität erhöhen, sagt Marx. „Was ich an diesem Ansatz von Martins Gruppe wirklich cool finde, ist, dass sie tatsächlich suggerieren, dass die Komplexität, die wir sehen, noch komplexer ist, als wir ihr zuschreiben. Es könnte noch mehr Arten geben, die ökologisch wichtig sind. Dinge, die wir, wenn sie Pflanzen und Tiere wären, Spezies nennen würden."

Andere MIT-Autoren auf dem Papier sind Joseph Elsherbini und Jeff Gore. Die Forschung wurde unterstützt, teilweise, von der National Science Foundation und der Simons Foundation.

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