Определение видов среди растений и животных был основным для биологов, но эта задача становится еще более сложной для множества микробов, которые обитают на планете. Теперь, исследователи Массачусетского технологического института разработали простой способ измерения потока генов, которые могут определять экологически важных групп среди бактерий и архей, в том числе выявлением групп населения, связанных с заболеваниями человека.
Гена показателя потока отделяет сосуществования микробов, генетически и экологически различных популяций, Мартин Польц, профессор гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, и его коллеги пишут в 8 августовский номер сотового.
Польц и его коллеги также разработали метод для определения частей генома в этих популяций, которые показывают различные приспособления, которые могут быть отображены на различных средах. Когда они протестировали свой подход на кишечнике бактерии, например, они смогли определить, что различные популяции бактерий были связаны со здоровыми лицами и пациентами с болезнью Крона.
Биологи часто называют группы растений или животных одного вида, если группа репродуктивно изолированных от других — то есть людей в группе могут размножаться друг с другом, но они не могут размножаться с другими. В результате, члены вида имеют общий набор генов, которая отличается от других видов. Большая часть эволюционной теории центров на виды и популяции, представители иного вида на определенной территории.
Но микробы “не поддаются классической концепции видов растений и животных,” Польц объясняет. Микробы, как правило, размножаются бесполым путем, попросту разделив себя на две, а не объединять свои гены с другими лицами, чтобы производить потомство. Микробы также печально для “взяв ДНК из источников окружающей среды, такие как вирусы,” говорит он. “Вирусы могут переносить ДНК в микробных клетках и ДНК, которые могут быть включены в их геномах”.
Эти процессы затрудняют рода сосуществования микробов на различных популяций на основе их генетического состава. “Если мы не можем выявить те группы населения, в микробов, мы не можем один к одному применить все это богатое экологической и эволюционной теории, который был разработан для животных и растений до микробов”, — говорит Польц.
Если исследователи хотят измерить экосистемы устойчивость в условиях изменения окружающей среды, например, они могут смотреть на то, как популяций в пределах одного вида изменяются с течением времени. “Если мы не знаем, что есть вид, это очень сложно измерить и оценить эти типы возмущений”, — добавляет он.
Кристофер Маркс, микробиолог в Университете штата Айдахо, который не был частью исследования клетки, говорит, что он и его коллеги “будут немедленно применить” подход исследователи Массачусетского технологического института в своей работе. “Мы можем использовать это, чтобы ответить на вопрос, что мы должны определить как экологически важный объект?’”
Эталоном для генного потока
Мартин и его коллеги решили искать другой способ определения экологически значимых популяций микробов. Возглавляемая студентом микробиологии выпускница Филипп Аревало, исследователи разработали показатель генного потока, который они называли PopCOGenT (население в качестве кластеров переноса генов).
PopCOGenT меры последние генного потока или переноса генов между близкородственных геномов. В общем, микробные геномы, которые обменивались в последнее время ДНК должны делиться чаще и дольше тянется идентичных ДНК, чем если люди просто воспроизводя разделение ДНК на две части. Без такого рода недавний обмен, исследователи предположили, длина этих общих участков ДНК идентичны сократит как мутации вставить новые “письма” на прямую.
Два микробных штаммов, которые не являются генетически идентичными друг другу, но доля значительные “куски” идентичной ДНК, вероятно, обмена генетическим материалом друг с другом, чем с другими штаммами. Это измерение потока генов могут определять отдельных микробных популяций, как исследователи обнаружили в своих тестах трех разных видов бактерий.
В бактерии вибрионы, например, близкородственные популяции могут поделиться некоторые основные генные последовательности, но они появляются полностью изолированными друг от друга, если смотреть через это измерение последнее время поток генов, Польц и его коллеги обнаружили.
Польц рассказывает о том, что метод PopCOGenT может лучше работать при определении микробных популяций по сравнению с предыдущими исследованиями, потому что он фокусируется на последних генного потока между близкородственными организмами, а не в том числе генов, поток событий, которые могут произойти тысячи лет в прошлое.
Метод также предполагает, что в то время как микробы постоянно участвует в различных ДНК из их среды, которые могут затруднить понимание структуры генного потока “может быть так, что это расходится ДНК действительно удалены путем отбора из популяции очень быстро”, — говорит Польц.
Обратный подход к экологии
Микробиология аспирант Дэвид VanInsberghe затем предложил “обратный экология” подход, который может определить регионы генома в этих недавно определенных групп населения, которые показывают “выборочные зачистки” — места, где ДНК вариации сокращены или ликвидированы, вероятно, в результате сильного естественного отбора для конкретного выгодно генетический вариант.
Путем определения конкретных зачисток внутри популяций, а также сопоставление распределения этих групп населения, метод может выявить возможные изменения, которые управляют микробы обитают в определенной среде или хозяин — без каких-либо предварительных знаний об их среде. Когда исследователи протестировали этот подход в кишечнике бактерии gnavus кое штамма Ruminococcus, они обнаружили отдельными популяциями микробов, связан со здоровыми людьми и пациентами с болезнью Крона.
Польц рассказывает обратный метод экологии, скорее всего, будут применены в ближайшее время к изучению всего многообразия бактерий, которые населяют человеческий организм. “Существует большой интерес в последовательности близкородственных организмов в микробиома человека и здоровья и Ассоциации болезни, и наборы данных растут”.
Он надеется использовать этот подход для изучения “гибкий геном” микробов. Штаммы бактерии E. coli, например, доля около 40% своих генов в “базовом геноме”, в то время как остальные 60 процентов — гибкая часть — колеблется между штаммами. “Для меня это один из самых больших вопросов в микробиологии: почему эти геномы настолько разнообразна в содержание генов?” Польц объясняет. “Как только мы можем определить популяции как эволюционной единицы, мы можем интерпретировать генных частот в популяции этих животных в свете эволюционных процессов.”
Польц и выводы коллег может повысить оценки микробного разнообразия, говорит Маркс. “Я думаю, что очень здорово об этом подходе из группы Мартина в том, что они на самом деле предполагают, что сложность, которую мы видим, даже более сложным, чем мы даем ему кредит. Может быть, даже больше видов, которые являются экологически важных, вещей, что если бы они были растений и животных, мы будем называть их видов”.
Другие авторы мит на бумаге включать Джозеф Эльшербини и Джефф гор. Исследование было поддержано в части Национальным научным фондом и Фондом Саймонса.
