Ny teknik hittar medicinskt och ekologiskt relevanta bakteriegrupper

Ny metod identifierar ekologiskt och medicinskt relevanta bakteriegrupper.

Att identifiera arter bland växter och djur har varit ett heltidsyrke för vissa biologer, men uppgiften är ännu mer skrämmande för de otaliga mikrober som bor på planeten. Nu, MIT -forskare har utvecklat en enkel mätning av genflöde som kan definiera ekologiskt viktiga populationer bland bakterier och archaea, inklusive att identifiera populationer associerade med mänskliga sjukdomar.

Genflödesmåttet separerar samexisterande mikrober i genetiskt och ekologiskt distinkta populationer, Martin Polz, professor i civil- och miljöteknik vid MIT, och kollegor skriver i 8 augusti -numret av Cell.

Polz och hans kollegor utvecklade också en metod för att identifiera delar av genomet i dessa populationer som visar olika anpassningar som kan kartläggas till olika miljöer. När de testade sitt tillvägagångssätt på en tarmbakterie, till exempel, de kunde fastställa att olika populationer av bakterierna var associerade med friska individer och patienter med Crohns sjukdom.

Biologer kallar ofta en grupp växter eller djur för en art om gruppen är reproduktivt isolerad från andra - det vill säga individer i gruppen kan reproducera med varandra, men de kan inte reproducera med andra. Som ett resultat, medlemmar av en art delar en uppsättning gener som skiljer sig från andra arter. Mycket av evolutionsteorin handlar om arter och populationer, representanter för en art i ett visst område.

Men mikrober "trotsar det klassiska artkonceptet för växter och djur, "Förklarar Polz. Mikrober tenderar att reproducera aseksuellt, helt enkelt dela sig i två snarare än att kombinera sina gener med andra individer för att producera avkommor. Mikrober är också ökända för att "ta upp DNA från miljökällor, som virus, "säger han." Virus kan överföra DNA till mikrobiella celler och att DNA kan införlivas i deras genomer. "

Dessa processer gör det svårt att sortera samexisterande mikrober i olika populationer baserat på deras genetiska sammansättning. "Om vi ​​inte kan identifiera dessa populationer i mikrober, vi kan inte en-till-en tillämpa all denna rika ekologiska och evolutionära teori som har utvecklats för växter och djur på mikrober, säger Polz.

Om forskare vill mäta ett ekosystems motståndskraft inför miljöförändringar, till exempel, de kan titta på hur populationer inom arter förändras över tid. "Om vi ​​inte vet vad en art är, det är mycket svårt att mäta och bedöma dessa typer av störningar, " han lägger till.

En måttstock för genflöde

Martin och hans kollegor bestämde sig för att leta efter ett annat sätt att definiera ekologiskt meningsfulla populationer i mikrober. Leds av mikrobiologi doktorand Philip Arevalo, forskarna utvecklade ett mått på genflöde som de kallade PopCOGenT (Populations as Clusters Of Gene Transfer).

PopCOGenT mäter det senaste genflödet eller genöverföringen mellan närbesläktade genomer. I allmänhet, mikrobiella genomer som har utbytt DNA nyligen borde dela längre och mer frekventa sträckor av identiskt DNA än om individer bara reproducerar genom att dela sitt DNA i två. Utan den här typen av senaste utbyte, forskarna föreslog, längden på dessa delade sträckor av identiskt DNA skulle förkortas när mutationer sätter in nya "bokstäver" i sträckan.

Två mikrobiella stammar som inte är genetiskt identiska med varandra men delar stora "bitar" av identiskt DNA utbyter förmodligen mer genetiskt material med varandra än med andra stammar. Denna genflödesmätning kan definiera distinkta mikrobiella populationer, som forskarna upptäckte i sina tester av tre olika sorters bakterier.

I Vibrio bakterie, till exempel, närbesläktade populationer kan dela några kärngensekvenser, men de verkar helt isolerade från varandra när de ses genom denna mätning av det senaste genflödet, Polz och kollegor hittade.

Polz säger att PopCOGenT -metoden kan fungera bättre för att definiera mikrobiella populationer än tidigare studier eftersom den fokuserar på nyligen genflöde bland närbesläktade organismer, snarare än att inkludera genflödeshändelser som kan ha hänt tusentals år tidigare.

Metoden antyder också att medan mikrober ständigt tar in olika DNA från sin miljö som kan skymma mönster av genflöde, "Det kan vara så att detta divergerande DNA verkligen avlägsnas genom urval från populationer mycket snabbt, säger Polz.

Det omvända ekologiska tillvägagångssättet

Mikrobiologi doktorand David VanInsberghe föreslog sedan ett "omvänd ekologi" tillvägagångssätt som skulle kunna identifiera regioner i genomet i dessa nydefinierade populationer som visar "selektiva svep" - platser där DNA -variation reduceras eller elimineras, sannolikt till följd av starkt naturligt urval för en viss fördelaktig genetisk variant.

Genom att identifiera specifika svep inom populationer, och kartlägga fördelningen av dessa populationer, metoden kan avslöja möjliga anpassningar som driver mikrober att bo i en viss miljö eller värd - utan förkunskaper om deras miljö. När forskarna testade detta tillvägagångssätt i tarmbakterien Ruminococcus gnavus , de avslöjade separata populationer av mikroben i samband med friska människor och patienter med Crohns sjukdom.

Polz säger att den omvända ekologimetoden sannolikt kommer att tillämpas inom en snar framtid för att studera hela mångfalden av bakterierna som bor i människokroppen. "Det finns ett stort intresse för att sekvensera närbesläktade organismer inom det mänskliga mikrobiomet och leta efter hälso- och sjukdomsföreningar, och datamängderna växer. "

Han hoppas kunna använda metoden för att undersöka mikrobernas "flexibla genom". Stammar av E coli bakterie, till exempel, dela cirka 40 procent av deras gener i ett "kärngenom, "medan de andra 60 procenten - den flexibla delen - varierar mellan stammarna." För mig, det är en av de största frågorna inom mikrobiologi:Varför är dessa genomer så olika i geninnehåll? "förklarar Polz." När vi väl kan definiera populationer som evolutionära enheter, vi kan tolka genfrekvenser i dessa populationer mot bakgrund av evolutionära processer. "

Polz och kollegors resultat kan öka uppskattningarna av mikrobdiversitet, säger Marx. "Det jag tycker är riktigt häftigt med det här tillvägagångssättet från Martins grupp är att de faktiskt föreslår att den komplexitet som vi ser är ännu mer komplex än vi ger den äran för. Det kan finnas ännu fler typer som är ekologiskt viktiga där ute, saker som om de vore växter och djur skulle vi kalla dem arter. "

Andra MIT -författare på tidningen inkluderar Joseph Elsherbini och Jeff Gore. Forskningen fick stöd, till viss del, av National Science Foundation och Simons Foundation.

• Antivirala läkemedel mot hepatit C minskar leverrelaterade dödsfall med nästan hälften,
• Nytt sätt att identifiera inflammation som uppstår vid eosinofilrelaterade störningar