Nova tehnika odkriva medicinsko in ekološko pomembne skupine bakterij

Nova metoda identificira ekološko in medicinsko pomembne skupine bakterij.

Prepoznavanje vrst med rastlinami in živalmi je bilo za nekatere biologe polni delovni čas, vendar je naloga še bolj zastrašujoča za nešteto mikrobov, ki naseljujejo planet. Zdaj, Raziskovalci MIT so razvili preprosto merjenje pretoka genov, ki lahko opredeli ekološko pomembne populacije med bakterijami in arhejami, vključno z natančno opredeljeno populacijo, povezano s človeškimi boleznimi.

Metrika genskega toka ločuje sočasno obstoječe mikrobe v genetsko in ekološko ločenih populacijah, Martin Polz, profesor civilnega in okoljskega inženiringa na MIT, in sodelavci pišejo v številki 8. avgusta Celica.

Polz in njegovi sodelavci so razvili tudi metodo za identifikacijo delov genoma v teh populacijah, ki kažejo različne prilagoditve, ki jih je mogoče preslikati v različna okolja. Ko so svoj pristop preizkusili na črevesni bakteriji, na primer, uspeli so ugotoviti, da so različne populacije bakterij povezane z zdravimi posamezniki in bolniki s Crohnovo boleznijo.

Biologi pogosto imenujejo skupino rastlin ali živali vrsto, če je skupina reproduktivno izolirana od drugih - to je, posamezniki v skupini se lahko med seboj razmnožujejo, vendar se ne morejo razmnoževati z drugimi. Kot rezultat, člani vrste imajo skupino genov, ki se razlikuje od drugih vrst. Večina evolucijske teorije se osredotoča na vrste in populacije, predstavniki vrste na določenem območju.

Toda mikrobi "kljubujejo klasičnemu konceptu vrst za rastline in živali, "Polz pojasnjuje. Mikrobi se ponavadi razmnožujejo nespolno, preprosto se razdelijo na dva dela in ne združujejo svojih genov z drugimi posamezniki, da bi ustvarili potomce. Mikrobi so znani tudi po tem, da "vzamejo DNK iz okoljskih virov, kot so virusi, "pravi." Virusi lahko prenašajo DNK v mikrobne celice in to DNK je mogoče vključiti v njihove genome. "

Ti procesi otežujejo razvrščanje soobstoječih mikrobov v različne populacije na podlagi njihove genetske sestave. "Če teh populacij ne moremo identificirati v mikrobih, ne moremo ena na ena uporabiti vse te bogate ekološke in evolucijske teorije, ki je bila razvita za rastline in živali, na mikrobe, "pravi Polz.

Če želijo raziskovalci izmeriti odpornost ekosistema ob okoljskih spremembah, na primer, lahko bi pogledali, kako se sčasoma spreminjajo populacije znotraj vrst. "Če ne vemo, kaj je vrsta, zelo težko je izmeriti in oceniti te vrste motenj, "doda.

Merilo za pretok genov

Martin in njegovi sodelavci so se odločili poiskati drug način za opredelitev ekološko pomembnih populacij v mikrobih. Pod vodstvom podiplomskega študenta mikrobiologije Philipa Arevala, raziskovalci so razvili metriko genskega toka, ki so jo poimenovali PopCOGenT (Populacije kot grozdi prenosa genov).

PopCOGenT meri nedavni pretok genov ali prenos genov med tesno povezanimi genomi. Na splošno, mikrobni genomi, ki so si nedavno izmenjali DNK, bi si morali deliti daljše in pogostejše odseke enake DNK, kot če bi se posamezniki samo razmnoževali z delitvijo svoje DNK na dva dela. Brez takšne nedavne izmenjave, so raziskovalci predlagali, dolžina teh skupnih odsekov enake DNK bi se skrajšala, saj mutacije v raztežaj vstavijo nove "črke".

Dva mikrobna seva, ki nista genetsko enaka drug drugemu, vendar si delita precejšnja "kosa" enake DNK, verjetno med seboj izmenjujeta več genskega materiala kot z drugimi sevi. Ta meritev pretoka genov lahko opredeli različne mikrobne populacije, kot so raziskovalci pri svojih testih odkrili tri različne vrste bakterij.

V Vibrio bakterije, na primer, bližnje sorodne populacije lahko delijo nekatere sekvence osnovnih genov, vendar se zdijo popolnoma ločeni drug od drugega, če gledamo s to meritvijo nedavnega pretoka genov, Polz in sodelavci našli.

Polz pravi, da bi lahko metoda PopCOGenT bolje opredelila mikrobne populacije kot prejšnje študije, ker se osredotoča na nedavni pretok genov med tesno povezanimi organizmi, namesto da bi vključevali dogodke pretoka genov, ki so se lahko zgodili več tisoč let v preteklosti.

Metoda tudi kaže, da mikrobi nenehno vzamejo drugačno DNK iz svojega okolja, kar bi lahko zameglilo vzorce genskega toka, "Lahko se zgodi, da se ta divergentna DNA res hitro odstrani z izbiro iz populacij, "pravi Polz.

Pristop obratne ekologije

Podiplomski študent mikrobiologije David VanInsberghe je nato predlagal pristop "obratne ekologije", ki bi lahko identificiral regije genoma v teh na novo opredeljenih populacijah, ki kažejo "selektivno brisanje" - kraje, kjer se variacije DNK zmanjšajo ali odpravijo, verjetno zaradi močne naravne selekcije za določeno koristno gensko varianto.

Z identifikacijo specifičnih preiskav znotraj populacij, in kartiranje porazdelitve teh populacij, metoda lahko razkrije možne prilagoditve, ki mikrobe naselijo v določeno okolje ali gostitelja - brez predhodnega poznavanja njihovega okolja. Ko so raziskovalci ta pristop preizkusili v črevesni bakteriji Ruminococcus gnavus , odkrili so ločene populacije mikroba, povezane z zdravimi ljudmi in bolniki s Crohnovo boleznijo.

Polz pravi, da bo metoda obratne ekologije v bližnji prihodnosti verjetno uporabljena za preučevanje celotne raznolikosti bakterij, ki naseljujejo človeško telo. "Obstaja veliko zanimanja za sekvenciranje tesno povezanih organizmov v človeškem mikrobiomu in iskanje zdravstvenih in zdravstvenih združenj, in nabori podatkov rastejo. "

Upa, da bo s pristopom preučil "fleksibilen genom" mikrobov. Sevi E. coli bakterije, na primer, delijo približno 40 odstotkov svojih genov v "jedru genoma" "medtem ko se ostalih 60 odstotkov - fleksibilni del - razlikuje med sevi." Zame je to je eno največjih vprašanj v mikrobiologiji:zakaj so ti genomi tako raznoliki po vsebini genov? "pojasnjuje Polz." Ko lahko populacijo opredelimo kot evolucijske enote, lahko razlagamo genske frekvence v teh populacijah glede na evolucijske procese. "

Polz in njegove ugotovitve bi lahko povečale ocene raznolikosti mikrobov, pravi Marx. "Kar se mi zdi super pri tem pristopu iz Martinove skupine, je, da dejansko nakazujejo, da je kompleksnost, ki jo vidimo, še bolj zapletena, kot si jo pripisujemo. Morda je tam še več vrst, ki so ekološko pomembne, stvari, ki bi jih, če bi bile rastline in živali, imenovali vrste. "

Drugi avtorji MIT v prispevku so Joseph Elsherbini in Jeff Gore. Raziskava je bila podprta, delno, avtorja National Science Foundation in Simons Foundation.

• Protivirusna zdravila za hepatitis C za skoraj polovico zmanjšajo smrt zaradi jeter,
• Nov način za prepoznavanje vnetja pri motnjah, povezanih z eozinofili