Что в имени тебе моем? Многое, на самом деле. Для научного сообщества названия и термины помогают упорядочить живые существа, чтобы их можно было отождествлять и изучать.
Но для бактерий никогда не существовало надежного метода последовательной организации их в виды и штаммы. Это проблема, потому что бактерии - одна из самых распространенных форм жизни, составляющая примерно 75% всех живых организмов на Земле. Международная исследовательская группа попыталась преодолеть эту проблему, которая давно беспокоит ученых, изучающих бактерии. Костас Константинидис из Технологического института Джорджии, возглавил исследование, результаты которого публикованы в журнале Nature Communications, с целью определения научно обоснованного метода разделения бактерий на виды и штаммы.
"Несмотря на то что существует рабочее определение видов и штаммов, оно далеко не всегда признается в научном сообществе", - говорит Константинидис. "Это связано с тем, что такие классификации основаны на стандартах, которые не всегда хорошо соотносятся с моделями, которые мы видим в естественной среде. Так, если бы мы классифицировали приматов по тем же стандартам, которые используются для классификации кишечной палочки, то все приматы - от лемуров до людей и шимпанзе - относились бы к одному виду".
Существует множество причин, по которым сложно разработать всеобъемлющую систему организации, но зачастую все сводится к тому, кто и почему привлекает наибольшее внимание исследователя. Повышенное внимание ученых обычно приводит к тому, что эти бактерии становятся более узко определенными. Например, виды бактерий, содержащие токсичные штаммы, активно изучаются из-за их связи с заболеваниями и здоровьем. Это было вызвано необходимостью отличать патогенные штаммы от безвредных. Однако недавние открытия показали, что даже определение видов бактерий по их токсичности ненадежно. Несмотря на очевидную краеугольную важность понятий "вид" и "штамм" для микробиологии, они, тем не менее, остаются плохо сформулированными и запутанными", - говорит Константинидис.
Исследовательская группа отобрала бактерии из двух солончаков в Испании. В них обитают разнообразные сообщества микроорганизмов, и они являются идеальным местом для изучения бактерий в их естественной среде. Это важно для понимания разнообразия популяций, поскольку бактерии часто претерпевают генетические изменения, попадая в лабораторные условия.
Авторы исследования извлекли и секвенировали 138 случайных изолятов бактерий Salinibacter ruber из этих солончаков. Чтобы выявить генетическое разнообразие, ученые сравнили изоляты между собой с помощью методики, известной как средняя нуклеотидная идентичность (ANI) - концепция, которую Константинидис разработал в начале своей карьеры. ANI - это надежная мера определения родства между любыми двумя геномами, которая используется для изучения родства между микроорганизмами и вирусами, а также животными. Например, ANI между людьми и шимпанзе составляет около 98,7%.
Анализ подтвердил ранее сделанные группой наблюдения о том, что виды микроорганизмов действительно могут быть надежно дифференцированы с помощью ANI. Они обнаружили, что представители одного вида бактерий демонстрируют генетическое родство, обычно составляющее от 96 до 100% по шкале ANI, и, как правило, менее 85% родства с представителями других видов.
Полученные данные выявили значения ANI около 99,5% в пределах вида Salinibacter ruber, что может быть использовано для дифференциации вида на различные штаммы. В сопутствующей работе, опубликованной в журнале mBio, авторы изучили еще около 300 видов бактерий на основе 18 000 геномов, которые были недавно секвенированы и стали доступны в открытых базах данных. Более чем у 95% видов они наблюдали схожие модели разнообразия.
"Мы считаем, что эта работа расширяет молекулярный инструментарий для точного описания важных элементов разнообразия на уровне видов и внутри видов, и мы уверены, что она принесет пользу будущим исследованиям разнообразия микроорганизмов в клинических и экологических условиях", - отметил Константинидис. По мнению авторов, их исследование будет интересно всем специалистам, работающим с бактериями, включая эволюционных биологов, таксономистов, экологов, клиницистов, биоинформатиков, представителей регулирующих органов и других специалистов. "Мы надеемся, что эти сообщества примут наши результаты и методологию для более надежной и достоверной идентификации видов и штаммов по сравнению с существующей практикой", - сказал Константинидис.
Tomeu Viver et al. К вопросу об оценке количества штаммов, составляющих естественную бактериальную популяцию (аннотация).
Что такое штамм и сколько штаммов составляют природную бактериальную популяцию, остается трудноопределимым понятием, несмотря на их очевидную важность для оценки роли внутрипопуляционного разнообразия в возникновении заболеваний или реакции на изменения в окружающей среде.
Для развития этих понятий мы секвенировали 138 случайно отобранных изолятов Salinibacter ruber из двух солончаков и оценили их геномы в сравнении с короткочитаемыми метагеномами-компаньонами из тех же образцов. Распределение значений средней нуклеотидной идентичности (ANI) по геномам среди этих изолятов оказалось бимодальным: значения между 99,2 и 99,8% встречались в четыре раза реже, чем ANI >99,8 и <99,2 %, что свидетельствует о наличии естественного "разрыва" в пространстве последовательностей внутри видов.
Соответственно, мы использовали разрыв ANI для определения геномоваров, а более высокое значение ANI >99,99% и общее содержание генов >99,0% - для определения штаммов. Используя эти пороговые значения и экстраполируя количество метагеномных чтений, уникально набранных каждым геномоваром, мы подсчитали, что, хотя наши 138 изолятов представляют около 80% популяции Sal. ruber, общая популяция в одном солончаке состоит из 5500-11000 геномоваров, подавляющее большинство из которых, по-видимому, редко встречается in situ.
Эти данные также показали, что наиболее часто выделяемый на лабораторных средах изолят часто не был самым распространенным геномоваром in situ, что говорит о значительной погрешности культивирования даже в тех случаях, когда процедуры культивирования считаются надежными. Изложенные здесь методология и пороговые значения ANI должны стать полезным руководством для будущих исследований разнообразия других видов микроорганизмов.
