Новый метод позволяет находить группы бактерий, имеющие отношение к медицине и экологии.

Новый метод определяет группы бактерий, имеющих отношение к окружающей среде и медицине.

Выявление видов среди растений и животных было постоянным занятием для некоторых биологов, но задача становится еще более сложной для бесчисленного множества микробов, населяющих планету. Теперь, Исследователи Массачусетского технологического института разработали простой метод измерения потока генов, который может определять экологически важные популяции бактерий и архей, включая определение популяций, связанных с заболеваниями человека.

Метрика потока генов разделяет сосуществующие микробы в генетически и экологически различных популяциях, Мартин Польц, профессор гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, и коллеги пишут в номере журнала от 8 августа Клетка.

Польз и его коллеги также разработали метод определения частей генома в этих популяциях, которые демонстрируют различные адаптации, которые могут быть отображены в различных средах. Когда они проверили свой подход на кишечной бактерии, например, они смогли определить, что разные популяции бактерий были связаны со здоровыми людьми и пациентами с болезнью Крона.

Биологи часто называют группу растений или животных видом, если группа репродуктивно изолирована от других, т. Е. люди в группе могут размножаться друг с другом, но они не могут воспроизводиться с другими. Как результат, члены одного вида имеют общий набор генов, который отличается от других видов. Большая часть теории эволюции сосредоточена на видах и популяциях, представители вида в определенной местности.

Но микробы "бросают вызов классической концепции видов растений и животных, "Полц объясняет. Микробы имеют свойство размножаться бесполым путем, просто разделившись на две части, вместо того, чтобы комбинировать свои гены с другими особями, чтобы произвести потомство. Микробы также известны тем, что «извлекают ДНК из источников окружающей среды, такие как вирусы, - говорит он. - Вирусы могут переносить ДНК в микробные клетки, и эта ДНК может быть включена в их геномы ».

Эти процессы затрудняют разделение сосуществующих микробов на отдельные популяции на основе их генетического состава. "Если мы не сможем идентифицировать эти популяции у микробов, мы не можем однозначно применить всю эту богатую экологическую и эволюционную теорию, которая была разработана для растений и животных, к микробам, "говорит Польз.

Если исследователи хотят измерить устойчивость экосистемы к изменениям окружающей среды, например, они могут посмотреть, как популяции внутри видов меняются с течением времени. "Если мы не знаем, что такое вид, очень сложно измерить и оценить эти типы возмущений, " он добавляет.

Мерило потока генов

Мартин и его коллеги решили найти другой способ определения экологически значимых популяций микробов. Под руководством аспиранта микробиологии Филиппа Аревало, исследователи разработали метрику потока генов, которую они назвали PopCOGenT (популяции как кластеры переноса генов).

PopCOGenT измеряет недавний поток генов или перенос генов между близкородственными геномами. В основном, микробные геномы, которые недавно обменивались ДНК, должны иметь более длинные и более частые участки идентичной ДНК, чем если бы люди просто размножались путем разделения своей ДНК на две части. Без такого рода недавнего обмена исследователи предположили, длина этих общих участков идентичной ДНК будет сокращаться по мере того, как мутации вставляют в участок новые «буквы».

Два штамма микробов, которые генетически не идентичны друг другу, но имеют большие «куски» идентичной ДНК, вероятно, обмениваются друг с другом большим генетическим материалом, чем с другими штаммами. Это измерение потока генов может определять отдельные микробные популяции, как исследователи обнаружили в своих тестах три различных вида бактерий.

В Вибрион бактерии например, близкородственные популяции могут иметь общие последовательности некоторых основных генов, но они кажутся полностью изолированными друг от друга, если смотреть через это измерение недавнего потока генов, Польз и его коллеги нашли.

Полц говорит, что метод PopCOGenT может лучше работать при определении микробных популяций, чем предыдущие исследования, поскольку он фокусируется на недавнем потоке генов среди близкородственных организмов, вместо того, чтобы включать события потока генов, которые могли произойти тысячи лет назад.

Этот метод также предполагает, что, хотя микробы постоянно поглощают различную ДНК из окружающей среды, которая может скрывать закономерности потока генов, "может случиться так, что эта дивергентная ДНК действительно очень быстро удаляется путем отбора из популяций, "говорит Польз.

Обратный экологический подход

Затем аспирант микробиологии Дэвид ВанИнсберг предложил подход «обратной экологии», который мог бы идентифицировать области генома в этих недавно определенных популяциях, которые показывают «выборочные зачистки» - места, где вариации ДНК уменьшаются или устраняются. вероятно, в результате сильного естественного отбора для конкретного полезного генетического варианта.

Путем определения конкретных перемещений в популяциях, и составить карту распределения этих популяций, этот метод может выявить возможные адаптации, которые заставляют микробы населять определенную среду или хозяина - без каких-либо предварительных знаний об их среде. Когда исследователи протестировали этот подход на кишечной бактерии Ruminococcus gnavus , они обнаружили отдельные популяции микробов, связанных со здоровыми людьми и пациентами с болезнью Крона.

По словам Полца, в ближайшем будущем, вероятно, будет применен метод обратной экологии для изучения всего разнообразия бактерий, населяющих человеческий организм. "Существует большой интерес к секвенированию тесно связанных организмов в микробиоме человека и поиску ассоциаций здоровья и болезней, и наборы данных растут ".

Он надеется использовать этот подход для изучения «гибкого генома» микробов. Штаммы Кишечная палочка бактерии например, разделяют около 40 процентов своих генов в "ядре генома", «в то время как остальные 60 процентов - гибкая часть - варьируются в зависимости от сорта». это один из самых больших вопросов в микробиологии:почему эти геномы так разнообразны по содержанию генов? »- объясняет Полц.« Как только мы сможем определить популяции как эволюционные единицы, мы можем интерпретировать частоты генов в этих популяциях в свете эволюционных процессов ».

Результаты Полца и его коллег могут улучшить оценки разнообразия микробов. говорит Маркс. «Что я считаю действительно крутым в этом подходе группы Мартина, так это то, что они фактически предполагают, что сложность, которую мы видим, даже более сложна, чем мы думаем. Там может быть еще больше видов, которые являются экологически важными, вещи, которые, если бы они были растениями и животными, мы бы назвали их видами ».

Среди других авторов статьи из Массачусетского технологического института Джозеф Эльшербини и Джефф Гор. Исследование поддержано, частично, Национальным научным фондом и Фондом Саймонса.

• Противовирусные препараты от гепатита С снижают смертность, связанную с печенью, почти вдвое,
• Новый способ выявления воспаления, возникающего при нарушениях, связанных с эозинофилами