Генетические методы исследования "темной материи" микроорганизмовГенетические методы исследования "темной материи" микроорганизмов
Patescibacteria - это группа загадочных, крошечных микробов, чей способ существования до сих пор не удается разгадать.
Ученые могут культивировать лишь несколько видов этих бактерий, однако они представляют собой разнообразную группу, встречающуюся во многих природных средах. Те немногие виды патесцибактерий, которые ученые могут выращивать в лаборатории, обитают на поверхности клеток других, более крупных микробов-хозяев. У патесцибактерий в целом отсутствуют гены, необходимые для производства многих молекул, необходимых для жизни, таких как аминокислоты, входящие в состав белков, жирные кислоты, формирующие мембраны, и нуклеотиды в ДНК. В связи с этим исследователи предположили, что многие из них зависят от других бактерий.
В исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые впервые представили взгляд на молекулярные механизмы, лежащие в основе необычного образа жизни патесцибактерий. Этот прорыв стал возможен благодаря открытию способа генетического манипулирования этими бактериями, что открыло много новых возможных направлений исследований. "Хотя метагеномика позволяет узнать, какие микробы живут на нашем теле и внутри него, сами по себе последовательности ДНК не дают нам представления об их полезной или вредной деятельности, особенно для организмов, которые никогда ранее не были охарактеризованы", - рассказал Нитин С. Балига из Института системной биологии в Сиэтле, который участвовал в проведении многих вычислительных и системных анализов в рамках данного исследования. "Способность генетически воздействовать на Patescibacteria открывает возможность применения мощной линзы системного анализа для быстрого описания уникальной биологии облигатных эпибионтов", - добавил он, имея в виду организмы, которые для выживания должны жить на других организмах.
Группа исследователей, возглавляемая Джозефом Мугусом с кафедры микробиологии Медицинской школы Вашингтонского университета, заинтересовалась патесцибактериями по нескольким причинам. Они относятся к числу малоизученных бактерий, последовательности ДНК которых всплывают в крупномасштабных генетических анализах геномов, обнаруженных в богатых видами микробных сообществах из источников окружающей среды. Этот генетический материал называют "микробной темной материей", поскольку мало что известно о функциях, которые он выполняет.
По мнению авторов статьи, "темная материя" микроорганизмов может содержать информацию о биохимических механизмах, которые могут найти применение в биотехнологии. Кроме того, она дает представление о молекулярной деятельности, поддерживающей микробную экосистему, а также о клеточной биологии различных видов микроорганизмов, собранных в этой системе. Группа Patescibacteria, анализируемая в данном исследовании, относится к Saccharibacteria. Они обитают в различных наземных и водных средах, но наиболее известны как обитатели ротовой полости человека. Они являются частью микробиома полости рта человека, по крайней мере, со времен каменного века и связаны со здоровьем полости рта человека.
В ротовой полости человека Saccharibacteria нуждаются в компании Actinobacteria, которые служат им хозяевами. Чтобы лучше понять механизмы взаимодействия Saccharibacteria с хозяевами, исследователи с помощью генетических манипуляций выявили все гены, необходимые для роста Saccharibacterium. "Мы очень рады, что нам удалось получить первые сведения о функциях необычных генов, которыми обладают эти бактерии", - сообщил Мугус. "Сосредоточив наши дальнейшие исследования на этих генах, мы надеемся разгадать загадку того, как Saccharibacteria использует бактерий-хозяев для своего роста".
К возможным факторам взаимодействия с хозяевами, выявленным в ходе исследования, относятся структуры клеточной поверхности, которые могут способствовать прикреплению Saccharibacteria к клеткам хозяина, и специализированная система секреции, которая может использоваться для транспортировки питательных веществ. Еще одним применением работы авторов стало получение клеток Saccharibacteria, экспрессирующих флуоресцентные белки. С помощью этих клеток исследователи проводили микроскопическую флуоресцентную съемку Saccharibacteria в режиме time-lapse, растущих вместе с бактериями-хозяевами. " Визуализация культур клеток Saccharibacteria выявила удивительную сложность жизненного цикла этих необычных бактерий", - отметил Мугус.
Исследователи сообщили, что некоторые Saccharibacteria выполняют роль материнских клеток, прикрепляясь к клетке-хозяину и многократно размножаясь для получения небольшого потомства. Эти малыши отправляются на поиски новых клеток-хозяев. Некоторые из потомков, в свою очередь, становятся материнскими клетками, а другие, по-видимому, непродуктивно взаимодействуют с хозяином. Исследователи полагают, что дополнительные генетические манипуляции позволят глубже понять роль того, что они назвали "богатыми запасами микробной темной материи, которую содержат эти организмы", и, возможно, раскрыть еще не найденные биологические механизмы.
