Ny teknikk finner medisinsk og økologisk relevante bakteriegrupper

Ny metode identifiserer økologisk og medisinsk relevante bakteriegrupper.

Å identifisere arter blant planter og dyr har vært et heltidsyrke for noen biologer, men oppgaven er enda mer skremmende for de utallige mikrober som lever på planeten. Nå, MIT -forskere har utviklet en enkel måling av genstrøm som kan definere økologisk viktige populasjoner blant bakterier og arkaer, inkludert å identifisere populasjoner assosiert med menneskelige sykdommer.

Genstrømmetriket skiller eksisterende mikrober i genetisk og økologisk forskjellige populasjoner, Martin Polz, professor i sivil- og miljøteknikk ved MIT, og kolleger skriver i 8. august -utgaven av Celle.

Polz og hans kolleger utviklet også en metode for å identifisere deler av genomet i disse populasjonene som viser forskjellige tilpasninger som kan kartlegges i forskjellige miljøer. Da de testet tilnærmingen sin på en tarmbakterie, for eksempel, de var i stand til å fastslå at forskjellige populasjoner av bakteriene var assosiert med friske individer og pasienter med Crohns sykdom.

Biologer kaller ofte en gruppe planter eller dyr en art hvis gruppen er reproduktivt isolert fra andre - det vil si individer i gruppen kan reprodusere med hverandre, men de kan ikke reprodusere med andre. Som et resultat, medlemmer av en art deler et sett med gener som skiller seg fra andre arter. Mye av evolusjonsteorien fokuserer på arter og populasjoner, representantene for en art i et bestemt område.

Men mikrober "trosser det klassiske artskonseptet for planter og dyr, "Forklarer Polz. Mikrober har en tendens til å reprodusere aseksuelt, ganske enkelt dele seg i to i stedet for å kombinere genene sine med andre individer for å produsere avkom. Mikrober er også beryktet for å "ta opp DNA fra miljøkilder, som virus, "sier han." Virus kan overføre DNA til mikrobielle celler og at DNA kan inkorporeres i genomene deres. "

Disse prosessene gjør det vanskelig å sortere sameksisterende mikrober i forskjellige populasjoner basert på deres genetiske sammensetning. "Hvis vi ikke kan identifisere disse populasjonene i mikrober, vi kan ikke en-til-en anvende all denne rike økologiske og evolusjonære teorien som er utviklet for planter og dyr på mikrober, "sier Polz.

Hvis forskere vil måle et økosystems motstandskraft overfor miljøendringer, for eksempel, de kan se på hvordan populasjoner i arter endres over tid. "Hvis vi ikke vet hva en art er, det er veldig vanskelig å måle og vurdere denne typen forstyrrelser, " han legger til.

En målestokk for genstrøm

Martin og hans kolleger bestemte seg for å lete etter en annen måte å definere økologisk meningsfylte populasjoner i mikrober. Ledet av mikrobiologi student Philip Arevalo, forskerne utviklet en metrik for genstrøm som de kalte PopCOGenT (Populations as Clusters Of Gene Transfer).

PopCOGenT måler nylig genstrøm eller genoverføring mellom nært beslektede genomer. Generelt, mikrobielle genomer som har utvekslet DNA nylig, bør dele lengre og hyppigere strekninger av identisk DNA enn om individer bare reproduserte ved å dele sitt DNA i to. Uten denne siste utvekslingen, forskerne foreslo, lengden på disse delte strekningene med identisk DNA ville forkortes etter hvert som mutasjoner setter inn nye "bokstaver" i strekningen.

To mikrobielle stammer som ikke er genetisk identiske med hverandre, men deler betydelige "biter" av identisk DNA, utveksler sannsynligvis mer genetisk materiale med hverandre enn med andre stammer. Denne genstrømsmåling kan definere forskjellige mikrobielle populasjoner, som forskerne oppdaget i sine tester av tre forskjellige typer bakterier.

I Vibrio bakterie, for eksempel, nært beslektede populasjoner kan dele noen kjerne gensekvenser, men de virker fullstendig isolerte fra hverandre når de ses gjennom denne måling av nyere genstrøm, Polz og kolleger fant.

Polz sier at PopCOGenT -metoden kan fungere bedre til å definere mikrobielle populasjoner enn tidligere studier fordi den fokuserer på nylig genstrøm blant nært beslektede organismer, i stedet for å inkludere genstrømhendelser som kan ha skjedd tusenvis av år tidligere.

Metoden antyder også at mens mikrober stadig tar inn forskjellig DNA fra miljøet som kan skjule genstrømningsmønstre, "Det kan være at dette divergerende DNA virkelig blir fjernet ved seleksjon fra populasjoner veldig raskt, "sier Polz.

Den omvendte økologimetoden

Mikrobiologistudent David VanInsberghe foreslo deretter en "omvendt økologi" -tilnærming som kunne identifisere regioner i genomet i disse nylig definerte populasjonene som viser "selektive feier" - steder der DNA -variasjon reduseres eller elimineres, sannsynligvis som et resultat av sterkt naturlig utvalg for en bestemt gunstig genetisk variant.

Ved å identifisere spesifikke feier i populasjoner, og kartlegge fordelingen av disse populasjonene, metoden kan avsløre mulige tilpasninger som driver mikrober til å bo i et bestemt miljø eller vert - uten noen forhåndskunnskap om miljøet. Da forskerne testet denne tilnærmingen i tarmbakterien Ruminococcus gnavus , de avdekket separate populasjoner av mikroben assosiert med friske mennesker og pasienter med Crohns sykdom.

Polz sier at den omvendte økologimetoden sannsynligvis vil bli brukt i nær fremtid for å studere hele mangfoldet av bakteriene som bor i menneskekroppen. "Det er stor interesse for å sekvensere nært beslektede organismer i det menneskelige mikrobiomet og se etter helse- og sykdomsforeninger, og datasettene vokser. "

Han håper å bruke tilnærmingen til å undersøke det "fleksible genomet" til mikrober. Stammer av E coli bakterie, for eksempel, dele omtrent 40 prosent av genene deres i et "kjernegenom, "mens de andre 60 prosentene - den fleksible delen - varierer mellom stammene." For meg, Det er et av de største spørsmålene innen mikrobiologi:Hvorfor er disse genomene så forskjellige i geninnhold? "forklarer Polz." Når vi kan definere populasjoner som evolusjonære enheter, vi kan tolke genfrekvenser i disse populasjonene i lys av evolusjonære prosesser. "

Polz og kollegers funn kan øke estimatene for mikrobemangfold, sier Marx. "Det jeg synes er veldig kult med denne tilnærmingen fra Martins gruppe er at de faktisk antyder at kompleksiteten vi ser er enda mer kompleks enn vi gir den æren for. Det kan være enda flere typer som er økologisk viktige der ute, ting at hvis de var planter og dyr, ville vi kalt dem arter. "

Andre MIT -forfattere på papiret inkluderer Joseph Elsherbini og Jeff Gore. Forskningen ble støttet, delvis, av National Science Foundation og Simons Foundation.

• Antivirale legemidler mot hepatitt C reduserer leverelaterte dødsfall med nesten halvparten,
• Ny måte å identifisere betennelse på hos eosinofilrelaterte lidelser