Uusi tekniikka löytää lääketieteellisesti ja ekologisesti merkitykselliset bakteeriryhmät

Uusi menetelmä tunnistaa ekologisesti ja lääketieteellisesti merkitykselliset bakteeriryhmät.

Lajien tunnistaminen kasveista ja eläimistä on ollut kokopäiväistä työtä joillekin biologille, mutta tehtävä on vieläkin pelottavampi lukemattomille planeetalla eläville mikrobeille. Nyt, MIT:n tutkijat ovat kehittäneet yksinkertaisen geenivirtamittauksen, joka voi määrittää ekologisesti tärkeät populaatiot bakteerien ja arkean joukossa, mukaan lukien ihmisten sairauksiin liittyvien populaatioiden määrittäminen.

Geenivirtamittari erottaa rinnakkain esiintyvät mikrobit geneettisesti ja ekologisesti erillisissä populaatioissa, Martin Polz, MIT:n siviili- ja ympäristötekniikan professori, ja kollegat kirjoittavat 8. elokuuta Solu.

Polz ja hänen kollegansa kehittivät myös menetelmän näiden genomien osien tunnistamiseksi, jotka osoittavat erilaisia ​​sopeutumisia, jotka voidaan kartoittaa eri ympäristöihin. Kun he testasivat lähestymistapaansa suolistobakteerilla, esimerkiksi, he pystyivät määrittämään, että eri bakteeripopulaatiot liittyivät terveisiin yksilöihin ja Crohnin tautia sairastaviin potilaisiin.

Biologit kutsuvat usein kasvien tai eläinten ryhmää lajiksi, jos ryhmä on lisääntymisestä eristetty muista - eli ryhmän yksilöt voivat lisääntyä keskenään, mutta he eivät voi lisääntyä muiden kanssa. Tuloksena, lajin jäsenillä on joukko geenejä, jotka eroavat muista lajeista. Suuri osa evoluutioteoriasta keskittyy lajeihin ja populaatioihin, lajin edustajia tietyllä alueella.

Mutta mikrobit "uhmaavat klassista kasvi- ja eläinlajien käsitettä, "Polz selittää. Mikrobit pyrkivät lisääntymään epäsuorasti, yksinkertaisesti jakamalla itsensä kahtia sen sijaan, että yhdistäisivät geeninsä muiden yksilöiden kanssa jälkeläisten tuottamiseksi. Mikrobit ovat myös tunnettuja siitä, että ne "ottavat DNA:ta ympäristön lähteistä, kuten viruksia, "hän sanoo." Virukset voivat siirtää DNA:ta mikrobisoluihin ja että DNA voidaan sisällyttää niiden genomeihin. "

Nämä prosessit vaikeuttavat rinnakkain olevien mikrobien lajittelemista eri populaatioihin niiden geneettisen rakenteen perusteella. "Jos emme pysty tunnistamaan näitä populaatioita mikrobeissa, emme voi soveltaa yksitellen kaikkia tätä rikasta ekologista ja evoluutioteoriaa, joka on kehitetty kasveille ja eläimille, mikrobille, "sanoo Polz.

Jos tutkijat haluavat mitata ekosysteemin sietokykyä ympäristön muutoksen edessä, esimerkiksi, he voivat tarkastella, miten lajien populaatiot muuttuvat ajan myötä. "Jos emme tiedä, mikä laji on, on erittäin vaikeaa mitata ja arvioida tällaisia ​​häiriöitä, " hän lisää.

Geenivirran mittapuu

Martin ja hänen kollegansa päättivät etsiä toista tapaa määritellä ekologisesti merkitykselliset mikrobipopulaatiot. Mikrobiologian jatko -opiskelija Philip Arevalon johdolla tutkijat kehittivät metrisen geenivirran, jota he kutsuivat PopCOGenT:ksi (Populations as Clusters Of Gene Transfer).

PopCOGenT mittaa viimeaikaista geenivirtaa tai geenisiirtoa läheisesti sukua olevien genomien välillä. Yleisesti, mikrobien genomien, jotka ovat vaihtaneet DNA:ta äskettäin, pitäisi jakaa pitkiä ja useammin samanlaisia ​​DNA -osuuksia kuin jos yksilöt vain lisääntyvät jakamalla DNA:nsa kahtia. Ilman tällaista vaihtoa, tutkijat ehdottivat, Näiden saman DNA:n jaettujen osien pituus lyhenee, kun mutaatiot lisäävät "kirjaimia" venytykseen.

Kaksi mikrobikantaa, jotka eivät ole geneettisesti identtisiä toistensa kanssa, mutta joilla on suuria "paloja" identtistä DNA:ta, vaihtavat todennäköisesti enemmän geneettistä materiaalia keskenään kuin muiden kantojen kanssa. Tämä geenivirtamittaus voi määrittää erilliset mikrobipopulaatiot, kuten tutkijat havaitsivat kokeissaan kolmesta erilaisesta bakteerista.

Sisään Vibrio bakteerit, esimerkiksi, läheisesti sukua olevat populaatiot voivat jakaa joitain ydingeenisekvenssejä, mutta ne näyttävät olevan täysin eristettyjä toisistaan, kun katsotaan tätä viimeaikaisen geenivirran mittausta, Polz ja kollegat löysivät.

Polz sanoo, että PopCOGenT -menetelmä voi toimia paremmin mikrobipopulaatioiden määrittämisessä kuin aiemmat tutkimukset, koska se keskittyy lähisukulaisten organismien viimeaikaiseen geenivirtaukseen, eikä sisällytä geenivirtaustapahtumia, jotka ovat saattaneet tapahtua tuhansia vuosia aiemmin.

Menetelmä viittaa myös siihen, että vaikka mikrobit ottavat jatkuvasti ympäristöstään erilaista DNA:ta, joka saattaa hämärtää geenivirran malleja, "voi olla, että tämä erilainen DNA poistetaan todella valikoimalla populaatioista hyvin nopeasti, "sanoo Polz.

Käänteinen ekologinen lähestymistapa

Mikrobiologian jatko -opiskelija David VanInsberghe ehdotti sitten "käänteisen ekologian" lähestymistapaa, joka voisi tunnistaa genomin alueet näissä hiljattain määritellyissä populaatioissa, joissa esiintyy "valikoivia pyyhkäisyä" - paikkoja, joissa DNA -vaihtelu vähenee tai eliminoituu. todennäköisesti tietyn hyödyllisen geneettisen muunnelman vahvan luonnollisen valinnan seurauksena.

Tunnistamalla erityiset lakaisut populaatioissa, ja näiden populaatioiden jakautumisen kartoittaminen, menetelmä voi paljastaa mahdollisia sopeutumisia, jotka saavat mikrobit asumaan tiettyyn ympäristöön tai isäntään - ilman ennakkotietoa ympäristöstään. Kun tutkijat testasivat tätä lähestymistapaa suolistobakteerissa Ruminococcus gnavus , he paljastivat erilliset mikrobipopulaatiot, jotka liittyivät terveisiin ihmisiin ja Crohnin tautia sairastaviin potilaisiin.

Polz sanoo, että käänteisen ekologian menetelmää sovelletaan todennäköisesti lähitulevaisuudessa ihmiskehossa elävien bakteerien täydellisen monimuotoisuuden tutkimiseen. "On paljon kiinnostusta läheisesti liittyvien organismien sekvensoimisesta ihmisen mikrobiomissa ja etsimään terveys- ja tautiyhteyksiä, ja tietojoukot kasvavat. "

Hän toivoo voivansa käyttää tätä lähestymistapaa mikrobien "joustavan genomin" tutkimiseen. Kantoja E. coli bakteerit, esimerkiksi, jakaa noin 40 prosenttia geeneistään "ydingenomissa", "kun taas muut 60 prosenttia - joustava osa - vaihtelee kantojen välillä." Minulle se on yksi suurimmista kysymyksistä mikrobiologiassa:Miksi nämä genomit ovat niin erilaisia ​​geenipitoisuudeltaan? "Polz selittää." Kun voimme määritellä populaatiot evoluution yksiköiksi, voimme tulkita geenitaajuuksia näissä populaatioissa evoluutioprosessien valossa. "

Polz ja työtovereiden havainnot voivat lisätä arvioita mikrobien monimuotoisuudesta, sanoo Marx. "Mielestäni on todella hienoa tässä Martinin ryhmän lähestymistavassa, että he itse asiassa viittaavat siihen, että näkemämme monimutkaisuus on vielä monimutkaisempi kuin annamme sille kunniaa. Siellä voi olla vielä enemmän ekologisesti tärkeitä tyyppejä, asioita, joita jos ne olisivat kasveja ja eläimiä, kutsuisimme niitä lajeiksi. "

Muita paperin MIT -kirjoittajia ovat Joseph Elsherbini ja Jeff Gore. Tutkimusta tuettiin, osittain, National Science Foundation ja Simons Foundation.

• Hepatiitti C:n viruslääkkeet vähentävät maksakuolemia lähes puoleen,
• Uusi tapa tunnistaa eosinofiileihin liittyvissä häiriöissä esiintyvä tulehdus