Ny teknik finder medicinsk og økologisk relevante bakteriegrupper

Ny metode identificerer økologisk og medicinsk relevante bakteriegrupper.

At identificere arter blandt planter og dyr har været en fuldtidsbeskæftigelse for nogle biologer, men opgaven er endnu mere skræmmende for de utallige mikrober, der bebor planeten. Nu, MIT -forskere har udviklet en simpel måling af genflow, der kan definere økologisk vigtige populationer blandt bakterier og archaea, herunder at identificere populationer forbundet med menneskelige sygdomme.

Genstrømmetriket adskiller eksisterende mikrober i genetisk og økologisk adskilte populationer, Martin Polz, professor i civil- og miljøteknik ved MIT, og kolleger skriver i 8. august -udgaven af Celle.

Polz og hans kolleger udviklede også en metode til at identificere dele af genomet i disse populationer, der viser forskellige tilpasninger, der kan kortlægges i forskellige miljøer. Da de testede deres tilgang på en tarmbakterie, for eksempel, de var i stand til at bestemme, at forskellige populationer af bakterierne var forbundet med raske individer og patienter med Crohns sygdom.

Biologer kalder ofte en gruppe planter eller dyr en art, hvis gruppen er reproduktivt isoleret fra andre - det vil sige individer i gruppen kan reproducere med hinanden, men de kan ikke reproducere med andre. Som resultat, medlemmer af en art deler et sæt gener, der adskiller sig fra andre arter. Meget af evolutionsteorien fokuserer på arter og populationer, repræsentanter for en art i et bestemt område.

Men mikrober "trodser det klassiske artskoncept for planter og dyr, "Forklarer Polz. Mikrober har en tendens til at reproducere aseksuelt, simpelthen opdele sig i to frem for at kombinere deres gener med andre individer for at producere afkom. Mikrober er også berygtede for at "optage DNA fra miljøkilder, såsom vira, "siger han." Vira kan overføre DNA til mikrobielle celler, og at DNA kan inkorporeres i deres genomer. "

Disse processer gør det svært at sortere sameksisterende mikrober i forskellige populationer baseret på deres genetiske sammensætning. "Hvis vi ikke kan identificere disse populationer i mikrober, vi kan ikke en-til-en anvende al denne rige økologiske og evolutionære teori, der er udviklet for planter og dyr på mikrober, "siger Polz.

Hvis forskere vil måle et økosystems modstandsdygtighed over for miljøforandringer, for eksempel, de kan se på, hvordan populationer inden for arter ændrer sig over tid. "Hvis vi ikke ved, hvad en art er, det er meget svært at måle og vurdere disse typer forstyrrelser, "tilføjer han.

En målestok for genflow

Martin og hans kolleger besluttede at lede efter en anden måde at definere økologisk meningsfulde populationer i mikrober. Ledet af mikrobiologisk kandidatstuderende Philip Arevalo, forskerne udviklede en metrik for genflow, som de kaldte PopCOGenT (Populations as Clusters Of Gene Transfer).

PopCOGenT måler nylig genstrøm eller genoverførsel mellem nært beslægtede genomer. Generelt, mikrobielle genomer, der har udvekslet DNA for nylig, bør dele længere og hyppigere strækninger af identisk DNA, end hvis individer bare reproducerede ved at dele deres DNA i to. Uden denne form for ny udveksling, forskerne foreslog, længden af ​​disse delte strækninger af identisk DNA ville blive forkortet, når mutationer indsætter nye "bogstaver" i strækningen.

To mikrobielle stammer, der ikke er genetisk identiske med hinanden, men deler betydelige "bidder" af identisk DNA, udveksler sandsynligvis mere genetisk materiale med hinanden end med andre stammer. Denne genflowmåling kan definere forskellige mikrobielle populationer, som forskerne opdagede i deres test af tre forskellige slags bakterier.

I Vibrio bakterie, for eksempel, nært beslægtede populationer kan dele nogle kerne gensekvenser, men de fremstår fuldstændig isolerede fra hinanden, når de ses gennem denne måling af den seneste genstrøm, Polz og kolleger fundet.

Polz siger, at PopCOGenT -metoden kan fungere bedre til at definere mikrobielle populationer end tidligere undersøgelser, fordi den fokuserer på nyere genstrøm blandt nært beslægtede organismer, i stedet for at inkludere genflowhændelser, der måske er sket tusinder af år tidligere.

Metoden antyder også, at mens mikrober konstant optager forskelligt DNA fra deres miljø, der kan skjule genstrømsmønstre, "Det kan være, at dette divergerende DNA virkelig fjernes ved selektion fra populationer meget hurtigt, "siger Polz.

Den omvendte økologi tilgang

Mikrobiologi kandidatstuderende David VanInsberghe foreslog derefter en "omvendt økologi" tilgang, der kunne identificere områder af genomet i disse nyligt definerede populationer, der viser "selektive fejninger" - steder, hvor DNA -variation reduceres eller elimineres, sandsynligvis som følge af stærk naturlig selektion for en bestemt gavnlig genetisk variant.

Ved at identificere specifikke fejer inden for befolkninger, og kortlægge fordelingen af ​​disse populationer, metoden kan afsløre mulige tilpasninger, der får mikrober til at bebo et bestemt miljø eller vært - uden forudgående kendskab til deres miljø. Da forskerne testede denne tilgang i tarmbakterien Ruminococcus gnavus , de afdækkede separate populationer af mikroben forbundet med raske mennesker og patienter med Crohns sygdom.

Polz siger, at den omvendte økologimetode sandsynligvis vil blive anvendt i den nærmeste fremtid for at studere den fulde mangfoldighed af de bakterier, der lever i menneskekroppen. "Der er stor interesse i at sekvensere nært beslægtede organismer i det humane mikrobiom og lede efter sundheds- og sygdomsforeninger, og datasættene vokser. "

Han håber at bruge metoden til at undersøge mikrobernes "fleksible genom". Stammer af E coli bakterie, for eksempel, dele omkring 40 procent af deres gener i et "kerne -genom, "mens de andre 60 procent - den fleksible del - varierer mellem stammer." For mig, det er et af de største spørgsmål inden for mikrobiologi:Hvorfor er disse genomer så forskellige i genindhold? "forklarer Polz." Når vi først kan definere populationer som evolutionære enheder, vi kan fortolke genfrekvenser i disse populationer i lyset af evolutionære processer. "

Polz og kollegers fund kan øge estimaterne af mikrobdiversitet, siger Marx. "Det, jeg synes er virkelig fedt ved denne tilgang fra Martins gruppe, er, at de faktisk tyder på, at den kompleksitet, vi ser, er endnu mere kompleks, end vi giver den æren for. Der kan være endnu flere typer, der er økologisk vigtige derude, ting, at hvis de var planter og dyr, ville vi kalde dem arter. "

Andre MIT -forfattere på papiret inkluderer Joseph Elsherbini og Jeff Gore. Undersøgelsen blev støttet, delvis, af National Science Foundation og Simons Foundation.

• Antivirale lægemidler mod hepatitis C reducerer leverrelaterede dødsfald med næsten halvdelen,
• Ny måde at identificere betændelse, der forekommer i eosinofilrelaterede lidelser