Nieuwe techniek vindt medisch en ecologisch relevante bacteriegroepen

Nieuwe methode identificeert ecologisch en medisch relevante bacteriegroepen.

Het identificeren van soorten tussen planten en dieren is voor sommige biologen een fulltime bezigheid geweest, maar de taak is nog ontmoedigender voor de talloze microben die de planeet bewonen. Nutsvoorzieningen, MIT-onderzoekers hebben een eenvoudige meting van genenstroom ontwikkeld die ecologisch belangrijke populaties onder bacteriën en archaea kan definiëren, inclusief het lokaliseren van populaties geassocieerd met menselijke ziekten.

De gene flow-metriek scheidt naast elkaar bestaande microben in genetisch en ecologisch verschillende populaties, Martin Polz, een professor in civiele en milieutechniek aan het MIT, en collega's schrijven in het nummer van 8 augustus van: Cel.

Polz en zijn collega's ontwikkelden ook een methode om delen van het genoom in deze populaties te identificeren die verschillende aanpassingen vertonen die in verschillende omgevingen in kaart kunnen worden gebracht. Toen ze hun aanpak testten op een darmbacterie, bijvoorbeeld, ze waren in staat om vast te stellen dat verschillende populaties van de bacteriën werden geassocieerd met gezonde individuen en patiënten met de ziekte van Crohn.

Biologen noemen een groep planten of dieren vaak een soort als de groep reproductief geïsoleerd is van anderen - dat wil zeggen, individuen in de groep kunnen zich met elkaar voortplanten, maar ze kunnen zich niet voortplanten met anderen. Als resultaat, leden van een soort delen een set genen die verschilt van andere soorten. Veel van de evolutietheorie gaat over soorten en populaties, de vertegenwoordigers van een soort in een bepaald gebied.

Maar microben tarten het klassieke soortconcept voor planten en dieren, " legt Polz uit. Microben hebben de neiging om zich ongeslachtelijk voort te planten, zichzelf eenvoudig in tweeën splitsen in plaats van hun genen te combineren met andere individuen om nakomelingen te produceren. Microben zijn ook berucht voor het "opnemen van DNA uit omgevingsbronnen, zoals virussen, " zegt hij. "Virussen kunnen DNA in microbiële cellen overbrengen en dat DNA kan in hun genomen worden opgenomen."

Deze processen maken het moeilijk om naast elkaar bestaande microben in verschillende populaties te sorteren op basis van hun genetische samenstelling. "Als we die populaties in microben niet kunnen identificeren, we kunnen al deze rijke ecologische en evolutietheorie die voor planten en dieren is ontwikkeld niet één-op-één toepassen op microben, ' zegt Polz.

Als onderzoekers de veerkracht van een ecosysteem willen meten in het licht van veranderingen in het milieu, bijvoorbeeld, ze kunnen kijken naar hoe populaties binnen soorten in de loop van de tijd veranderen. "Als we niet weten wat een soort is, het is erg moeilijk om dit soort verstoringen te meten en te beoordelen, " hij voegt toe.

Een maatstaf voor genenstroom

Martin en zijn collega's besloten op zoek te gaan naar een andere manier om ecologisch betekenisvolle populaties in microben te definiëren. Onder leiding van afgestudeerde microbiologiestudent Philip Arevalo, de onderzoekers ontwikkelden een metriek van genstroom die ze PopCOGenT (Populations as Clusters Of Gene Transfer) noemden.

PopCOGenT meet de recente genstroom of genoverdracht tussen nauw verwante genomen. In het algemeen, microbiële genomen die recent DNA hebben uitgewisseld, zouden langere en frequentere stukken identiek DNA moeten delen dan wanneer individuen zich alleen zouden reproduceren door hun DNA in tweeën te splitsen. Zonder dit soort recente uitwisseling, de onderzoekers suggereerden, de lengte van deze gedeelde stukken identiek DNA zou korter worden als mutaties nieuwe "letters" invoegen in het stuk.

Twee microbiële stammen die niet genetisch identiek aan elkaar zijn, maar aanzienlijke "brokken" identiek DNA delen, wisselen waarschijnlijk meer genetisch materiaal met elkaar uit dan met andere stammen. Deze meting van de genenstroom kan verschillende microbiële populaties definiëren, zoals de onderzoekers ontdekten in hun tests van drie verschillende soorten bacteriën.

In Vibrio bacteriën, bijvoorbeeld, nauw verwante populaties kunnen enkele kerngensequenties delen, maar ze lijken volledig van elkaar geïsoleerd als ze worden bekeken door deze meting van de recente genenstroom, Polz en collega's gevonden.

Polz zegt dat de PopCOGenT-methode mogelijk beter werkt bij het definiëren van microbiële populaties dan eerdere studies, omdat deze zich richt op recente genenstroom tussen nauw verwante organismen, in plaats van gebeurtenissen in de genenstroom op te nemen die mogelijk duizenden jaren in het verleden hebben plaatsgevonden.

De methode suggereert ook dat, hoewel microben constant ander DNA uit hun omgeving opnemen dat patronen van genstroom zou kunnen verdoezelen, "het kan zijn dat dit divergerende DNA heel snel door selectie uit populaties wordt verwijderd, ' zegt Polz.

De omgekeerde ecologiebenadering

Afgestudeerde microbiologiestudent David VanInsberghe stelde vervolgens een "omgekeerde ecologie" -benadering voor die regio's van het genoom zou kunnen identificeren in deze nieuw gedefinieerde populaties die "selectieve sweeps" vertonen - plaatsen waar DNA-variatie wordt verminderd of geëlimineerd, waarschijnlijk als gevolg van sterke natuurlijke selectie voor een bepaalde gunstige genetische variant.

Door specifieke sweeps binnen populaties te identificeren, en het in kaart brengen van de verspreiding van deze populaties, de methode kan mogelijke aanpassingen onthullen die microben ertoe aanzetten een bepaalde omgeving of gastheer te bewonen - zonder enige voorkennis van hun omgeving. Toen de onderzoekers deze aanpak testten in de darmbacterie Ruminococcus gnavus , ze ontdekten afzonderlijke populaties van de microbe die geassocieerd zijn met gezonde mensen en patiënten met de ziekte van Crohn.

Polz zegt dat de omgekeerde ecologiemethode waarschijnlijk in de nabije toekomst zal worden toegepast om de volledige diversiteit van de bacteriën die het menselijk lichaam bewonen te bestuderen. "Er is veel interesse in het sequencen van nauw verwante organismen binnen het menselijk microbioom en het zoeken naar gezondheids- en ziekteassociaties, en de datasets groeien."

Hij hoopt de aanpak te gebruiken om het "flexibele genoom" van microben te onderzoeken. stammen van E coli bacteriën, bijvoorbeeld, delen ongeveer 40 procent van hun genen in een "kerngenoom, " terwijl de andere 60 procent - het flexibele deel - varieert tussen soorten. "Voor mij, het is een van de grootste vragen in de microbiologie:waarom zijn deze genomen zo divers in geninhoud?" legt Polz uit. "Als we eenmaal populaties kunnen definiëren als evolutionaire eenheden, we kunnen genfrequenties in deze populaties interpreteren in het licht van evolutionaire processen."

De bevindingen van Polz en collega's kunnen de schattingen van microbe-diversiteit verhogen, zegt Marx. "Wat ik echt cool vind aan deze benadering van Martin's groep, is dat ze eigenlijk suggereren dat de complexiteit die we zien nog complexer is dan we het de eer geven. Er kunnen nog meer soorten zijn die ecologisch belangrijk zijn, dingen die als het planten en dieren waren, we ze soorten zouden noemen."

Andere MIT-auteurs op het papier zijn Joseph Elsherbini en Jeff Gore. Het onderzoek werd ondersteund, gedeeltelijk, door de National Science Foundation en de Simons Foundation.

• Antivirale geneesmiddelen voor hepatitis C verminderen levergerelateerde sterfgevallen met bijna de helft,
• Nieuwe manier om ontstekingen te identificeren die optreden bij eosinofielengerelateerde aandoeningen