Nova tehnika pronalazi medicinski i ekološki relevantne skupine bakterija

Nova metoda identificira ekološki i medicinski relevantne skupine bakterija.

Prepoznavanje vrsta među biljkama i životinjama za neke je biologe bilo puno radno vrijeme, ali zadatak je još više zastrašujući za bezbroj mikroba koji nastanjuju planet. Sada, Istraživači MIT -a razvili su jednostavno mjerenje protoka gena koje može definirati ekološki važne populacije među bakterijama i arhejama, uključujući točno određenu populaciju povezanu s ljudskim bolestima.

Metrika protoka gena odvaja supostojeće mikrobe u genetski i ekološki različitim populacijama, Martin Polz, profesor građevinarstva i zaštite okoliša na MIT -u, i kolege pišu u broju od 8. kolovoza Stanica.

Polz i njegovi kolege također su razvili metodu za identifikaciju dijelova genoma u ovim populacijama koji pokazuju različite prilagodbe koje se mogu mapirati u različita okruženja. Kad su testirali svoj pristup na crijevnoj bakteriji, na primjer, uspjeli su utvrditi da su različite populacije bakterija povezane sa zdravim pojedincima i bolesnicima s Crohnovom bolešću.

Biolozi često skupinu biljaka ili životinja nazivaju vrstom ako je skupina reproduktivno izolirana od drugih - tj. pojedinci u grupi mogu se međusobno razmnožavati, ali se ne mogu razmnožavati s drugima. Kao rezultat, pripadnici vrste dijele skup gena koji se razlikuje od drugih vrsta. Veći dio evolucijske teorije usmjeren je na vrste i populacije, predstavnici vrste na određenom području.

Ali mikrobi "prkose klasičnom konceptu vrsta za biljke i životinje, "Polz objašnjava. Mikrobi se razmnožavaju nespolno, jednostavno se dijele na dvoje, a ne kombiniraju svoje gene s drugim pojedincima kako bi proizveli potomstvo. Mikrobi su također poznati po tome što "preuzimaju DNK iz izvora okoliša, poput virusa, "kaže." Virusi mogu prenijeti DNK u mikrobne stanice i ta se DNK može ugraditi u njihove gene. "

Ovi procesi otežavaju sortiranje suživotnih mikroba u različite populacije na temelju njihovog genetskog sastava. "Ako ne možemo identificirati te populacije u mikrobima, ne možemo jedan na jedan primijeniti svu ovu bogatu ekološku i evolucijsku teoriju razvijenu za biljke i životinje na mikrobe, "kaže Polz.

Ako istraživači žele mjeriti otpornost ekosustava prema promjenama okoliša, na primjer, mogli bi pogledati kako se populacije unutar vrsta mijenjaju s vremenom. "Ako ne znamo koja je vrsta, vrlo je teško izmjeriti i procijeniti ove vrste poremećaja, “dodaje.

Mjerilo za protok gena

Martin i njegovi kolege odlučili su potražiti drugi način definiranja ekološki značajnih populacija u mikrobima. Predvođena diplomiranim studentom mikrobiologije Philipom Arevalom, istraživači su razvili metriku protoka gena koju su nazvali PopCOGenT (Populacije kao klasteri prijenosa gena).

PopCOGenT mjeri nedavni tok gena ili prijenos gena između blisko povezanih genoma. Općenito, mikrobni genomi koji su nedavno razmijenili DNK trebali bi dijeliti dulje i češće dijelove identične DNK nego da se pojedinci samo razmnožavaju dijeljenjem svoje DNK na dva dijela. Bez ovakve nedavne razmjene, istraživači su predložili, duljina ovih zajedničkih dijelova identične DNK skratila bi se jer mutacije umetnu nova "slova" u rastezanje.

Dva mikrobna soja koji međusobno nisu genetski identični, ali dijele značajne "komade" identične DNK vjerojatno međusobno izmjenjuju više genetskog materijala nego s drugim sojevima. Ovo mjerenje protoka gena može definirati različite mikrobne populacije, kako su istraživači otkrili u svojim testovima tri različite vrste bakterija.

U Vibrio bakterije, na primjer, blisko povezane populacije mogu dijeliti neke sekvence jezgre gena, ali izgledaju potpuno izolirano jedno od drugog gledano kroz ovo mjerenje nedavnog protoka gena, Polz i kolege pronašli.

Polz kaže da bi metoda PopCOGenT mogla bolje funkcionirati u definiranju mikrobnih populacija od prethodnih studija jer se usredotočuje na nedavni protok gena među blisko povezanim organizmima, umjesto uključivanja događaja protoka gena koji su se mogli dogoditi tisućama godina u prošlosti.

Metoda također sugerira da, iako mikrobi stalno uzimaju različitu DNK iz svoje okoline, što bi moglo zamagliti obrasce protoka gena, "može se dogoditi da se ta divergentna DNA doista ukloni odabirom iz populacija vrlo brzo, "kaže Polz.

Obrnuti ekološki pristup

Diplomirani student mikrobiologije David VanInsberghe tada je predložio pristup "obrnute ekologije" koji bi mogao identificirati regije genoma u ovim novo definiranim populacijama koje pokazuju "selektivno brisanje" - mjesta gdje se varijacije DNK smanjuju ili eliminiraju, vjerojatno kao rezultat snažne prirodne selekcije za određenu korisnu genetsku varijantu.

Identificiranjem specifičnih premještanja unutar populacije, i mapiranje distribucije ovih populacija, metoda može otkriti moguće prilagodbe koje tjeraju mikrobe da nastane određeno okruženje ili domaćina - bez ikakvog prethodnog znanja o njihovom okruženju. Kad su istraživači testirali ovaj pristup u crijevnoj bakteriji Ruminococcus gnavus , otkrili su zasebne populacije mikroba povezane sa zdravim ljudima i pacijentima s Crohnovom bolešću.

Polz kaže da će se metoda obrnute ekologije vjerojatno primijeniti u bliskoj budućnosti za proučavanje potpune raznolikosti bakterija koje nastanjuju ljudsko tijelo. "Postoji veliki interes za sekvenciranje blisko povezanih organizama unutar ljudskog mikrobioma i traženje povezanosti zdravlja i bolesti, a skupovi podataka rastu. "

Nada se da će koristiti pristup za ispitivanje "fleksibilnog genoma" mikroba. Sojevi od E coli bakterije, na primjer, dijele oko 40 posto svojih gena u "jezgru genoma", "dok ostalih 60 posto - fleksibilni dio - varira između sojeva." Za mene, to je jedno od najvećih pitanja u mikrobiologiji:Zašto su ti genomi toliko različiti po sadržaju gena? "objašnjava Polz." Nakon što možemo definirati populacije kao evolucijske jedinice, možemo tumačiti frekvencije gena u tim populacijama u svjetlu evolucijskih procesa. "

Polz i nalazi njegovih kolega mogli bi povećati procjene raznolikosti mikroba, kaže Marx. "Ono što mislim da je jako cool u vezi s ovim pristupom iz Martinove grupe je to što oni zapravo sugeriraju da je složenost koju vidimo još složenija nego što joj vjerujemo. Možda postoji još više ekološki važnih tipova, stvari koje bismo, da su biljke i životinje, nazvali vrstama. "

Ostali autori MIT -a u članku uključuju Joseph Elsherbini i Jeff Gore. Istraživanje je podržano, djelomično, od strane Nacionalne zaklade za znanost i Zaklade Simons.

• Antivirusni lijekovi za hepatitis C smanjuju smrtnost od jetre za gotovo polovicu,
• Novi način identificiranja upale koja se javlja kod poremećaja povezanih s eozinofilima