Nová technika nachádza lekársky a ekologicky relevantné skupiny baktérií

Nová metóda identifikuje ekologicky a medicínsky relevantné skupiny baktérií.

Identifikácia druhov medzi rastlinami a zvieratami bola pre niektorých biológov zamestnaním na plný úväzok, ale táto úloha je ešte náročnejšia pre nespočetné množstvo mikróbov, ktoré obývajú planétu. Teraz, Vedci z MIT vyvinuli jednoduché meranie toku génov, ktoré môže definovať ekologicky významné populácie medzi baktériami a archeami, vrátane určenia populácií spojených s ľudskými chorobami.

Metrika toku génov oddeľuje súčasne existujúce mikróby v geneticky a ekologicky odlišných populáciách, Martin Polz, profesor stavebného a environmentálneho inžinierstva na MIT, a kolegovia píšu v čísle 8. augusta z Bunka.

Polz a jeho kolegovia tiež vyvinuli metódu na identifikáciu častí genómu v týchto populáciách, ktoré vykazujú rôzne adaptácie, ktoré je možné mapovať do rôznych prostredí. Keď testovali svoj prístup na črevnej baktérii, napríklad dokázali určiť, že rôzne populácie baktérií sú spojené so zdravými jedincami a pacientmi s Crohnovou chorobou.

Biológovia často nazývajú skupinu rastlín alebo živočíchov druhom, ak je táto skupina reprodukčne izolovaná od ostatných - to znamená, jednotlivci v skupine sa môžu navzájom reprodukovať, ale nedokážu sa reprodukovať s ostatnými. Ako výsledok, príslušníci druhu zdieľajú súbor génov, ktoré sa líšia od ostatných druhov. Väčšina evolučnej teórie sa zameriava na druhy a populácie, zástupcovia druhu v konkrétnej oblasti.

Mikróby však „popierajú klasický koncept druhov pre rastliny a zvieratá, "Polz vysvetľuje. Mikróby majú tendenciu reprodukovať sa nepohlavne, jednoducho sa rozdelili na dve časti, než aby spojili svoje gény s inými jedincami, aby vytvorili potomstvo. Mikróby sú tiež známe tým, že „absorbujú DNA z environmentálnych zdrojov, ako sú vírusy, "hovorí." Vírusy môžu prenášať DNA do mikrobiálnych buniek a túto DNA je možné začleniť do ich genómov. "

Tieto procesy sťažujú triedenie koexistujúcich mikróbov do odlišných populácií na základe ich genetického zloženia. „Ak nedokážeme identifikovať tieto populácie v mikróboch, nemôžeme jeden na jedného uplatniť celú túto bohatú ekologickú a evolučnú teóriu, ktorá bola vyvinutá pre rastliny a zvieratá, na mikróby, “hovorí Polz.

Ak chcú vedci zmerať odolnosť ekosystému tvárou v tvár environmentálnym zmenám, napríklad mohli by sa pozrieť na to, ako sa populácie v rámci druhov v priebehu času menia. „Ak nevieme, čo je to druh, je veľmi ťažké merať a hodnotiť tieto typy porúch, “dodáva.

Meradlo toku génov

Martin a jeho kolegovia sa rozhodli hľadať iný spôsob, ako definovať ekologicky zmysluplné populácie v mikróboch. Vedie ho absolvent mikrobiológie Philip Arevalo, vedci vyvinuli metriku toku génov, ktorú nazvali PopCOGenT (populácie ako klastre prenosu génov).

PopCOGenT meria nedávny tok génov alebo prenos génov medzi blízko príbuznými genómami. Všeobecne, mikrobiálne genómy, ktoré si nedávno vymenili DNA, by mali zdieľať dlhšie a častejšie úseky identickej DNA, ako keby sa jednotlivci iba reprodukovali rozdelením svojej DNA na dve časti. Bez tohto druhu nedávnej výmeny vedci navrhli, dĺžka týchto zdieľaných úsekov identickej DNA by sa skrátila, pretože mutácie vkladajú do úseku nové „písmená“.

Dva mikrobiálne kmene, ktoré nie sú navzájom geneticky identické, ale zdieľajú značné „kusy“ identickej DNA, si pravdepodobne medzi sebou vymieňajú viac genetického materiálu ako s inými kmeňmi. Toto meranie toku génov môže definovať odlišné mikrobiálne populácie, ako vedci zistili vo svojich testoch troch rôznych druhov baktérií.

V Vibrio baktérie, napríklad blízko príbuzné populácie môžu zdieľať niektoré sekvencie jadrových génov, ale pri pohľade týmto meraním nedávneho toku génov sa zdajú byť úplne navzájom izolované, Polz a kolegovia našli.

Polz hovorí, že metóda PopCOGenT môže fungovať lepšie pri definovaní mikrobiálnych populácií ako predchádzajúce štúdie, pretože sa zameriava na nedávny tok génov medzi príbuznými organizmami, namiesto zahrnutia udalostí toku génov, ktoré sa mohli stať tisíce rokov v minulosti.

Metóda tiež naznačuje, že zatiaľ čo mikróby neustále odoberajú inú DNA zo svojho prostredia, čo by mohlo zakryť vzorce toku génov, „Je možné, že sa táto divergentná DNA skutočne veľmi rýchlo odstráni selekciou z populácií, “hovorí Polz.

Prístup reverznej ekológie

Absolvent mikrobiológie David VanInsberghe potom navrhol prístup „reverznej ekológie“, ktorý by mohol identifikovať oblasti genómu v týchto novo definovaných populáciách, ktoré vykazujú „selektívne pohyby“ - miesta, kde je variácia DNA znížená alebo eliminovaná, pravdepodobne v dôsledku silného prirodzeného výberu pre konkrétny prospešný genetický variant.

Identifikáciou konkrétnych pohybov v rámci populácií a mapovanie distribúcie týchto populácií, metóda môže odhaliť možné úpravy, ktoré vedú mikróby k osídleniu konkrétneho prostredia alebo hostiteľa - bez akejkoľvek predchádzajúcej znalosti ich prostredia. Keď vedci testovali tento prístup v črevnej baktérii Ruminococcus gnavus , odhalili oddelené populácie mikróbov spojených so zdravými ľuďmi a pacientmi s Crohnovou chorobou.

Polz hovorí, že metóda reverznej ekológie sa pravdepodobne v blízkej budúcnosti použije na štúdium úplnej rozmanitosti baktérií, ktoré obývajú ľudské telo. „Existuje veľký záujem o sekvenovanie príbuzných organizmov v rámci ľudského mikrobiómu a hľadanie združení zdravia a chorôb, a množiny údajov rastú. “

Dúfa, že pomocou tohto prístupu preskúma „flexibilný genóm“ mikróbov. Kmene z E. coli baktérie, napríklad zdieľajú asi 40 percent svojich génov v „jadrovom genóme, „zatiaľ čo ostatných 60 percent - flexibilná časť - sa medzi kmeňmi líši.“ Pre mňa je to jedna z najväčších otázok mikrobiológie:Prečo sú tieto genómy tak rozmanité v obsahu génov? “vysvetľuje Polz.„ Keď môžeme definovať populácie ako evolučné jednotky, môžeme interpretovať génové frekvencie v týchto populáciách vo svetle evolučných procesov. "

Zistenia Polza a kolegov by mohli zvýšiť odhady rozmanitosti mikróbov, hovorí Marx. "Čo si myslím, že je na tomto prístupe Martinovej skupiny skutočne úžasné, je to, že v skutočnosti naznačujú, že komplexnosť, ktorú vidíme, je ešte komplexnejšia, než za akú ju udeľujeme. Existuje možno ešte viac typov, ktoré sú z ekologického hľadiska dôležité," veci, ktoré keby boli rastlinami a zvieratami, nazvali by sme ich druhmi. "

Ďalšími autormi MIT sú Joseph Elsherbini a Jeff Gore. Výskum bol podporený, čiastočne, od National Science Foundation a Simons Foundation.

• Antivírusové lieky proti hepatitíde C znižujú úmrtia súvisiace s pečeňou takmer o polovicu,
• Nový spôsob identifikácie zápalu vyskytujúceho sa pri poruchách spojených s eozinofilmi