חיידקים לא עורכים מסיבות ארוחת ערב או מספרים בדיחות, אבל הם חברתיים בדרכם שלהם. כאשר נוכחות המזון נותנת להם הזדמנות לגדול, להתרבות ולהתפתח, הם יווצרו במהירות, אפילו בשקיקה, קהילות. כמו עיר נמל שצומחת לאורך נתיב מים, קהילה מגוונת של חיידקים וחיידקים אחרים תזהה מצב טוב לצמיחה ותבנה את עצמה.

לכל עיר חיידקים יש סיפור מוצא. בור של יין שתסס במשך חודשים, ביופילם בריאות של חולה סיסטיק פיברוזיס ומעיין חם עשיר בגופרית, כולם התחילו עם קבוצה של תאים מייסדים שהמשיכו ליצור רשת איתנה של מינים המקיימים אינטראקציה. קהילות אלו יכולות לבצע פונקציות ביוכימיות שאף מין בודד אינו יכול לעשות בעצמו. זה דורש מניין של לקטוקוקוס ו סטרפטוקוקוס זנים עובדים יחד כדי לתת גבינת צ'דר המרקם והטנג שלו. שילובים שונים של מיקרוביוטה במעיים יכולים לשפר או להקהות היעילות של גלולה.

עם זאת, אין כללים ברורים להסביר כיצד קהילת חיידקים מתאספת או מדוע מינים מסוימים משגשגים. רוב הביולוגים, כאשר הם עומדים בפני תיאור קהילה של אורגניזמים, מקטלגים את רשימת המינים הקיימים. אבל מספר המינים של החיידקים כל כך עצום, תוחלת החיים שלהם כל כך קצרה וההבדלים בין שני מינים כל כך קטנים עד ששמות המינים לא בהכרח מספקים מידע שימושי.

זו הסיבה שקבוצה של פיזיקאים שהפכו למיקרוביולוגים מנסים להשתמש בטכניקות של רצף גנום בקנה מידה עצום כדי לחשוף כללים אוניברסליים שעשויים לשלוט בקהילות חיידקים - גישה של נתונים גדולים למיקרובים. במקום לקרוא למין בשמות, הם מתמקדים במה שהאורגניזמים עושים, במטרה לזהות אילו תפקידים חיוניים בתוך קהילה נתונה.

"יש יתירות - כמו, שני מינים יכולים לבצע את אותה פונקציה - ואותו מין יכול לבצע פונקציות שונות בהתאם [ב] אם אתה משנה את הסביבה," אמר אוטו קורדרו, מיקרוביולוג במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. "טקסונומיה אינה אינפורמטיבית כמו פונקציה."

בשנה שעברה במעבדה של קורדרו, מחקר בהובלת המיקרוביולוג מתי גרלקה זיהה קבוצה של פונקציות מיקרוביאליות שניתן לחזות ללא מידע על מינים. לאחר אפיון חילוף החומרים של 186 זני חיידקים שונים שנאספו מהאוקיינוס ​​האטלנטי, הוא גילה שהוא יכול לחזות את העדפות המזון הבסיסיות של חיידק נתון על סמך הגנום שלו בלבד.

דפוס זה מאפשר לחוקרים לעקוף את רצפי הגנים המעורבים בפירוק מקור מזון כזה או אחר. הצוות של גרלקה גילה שהם יכולים לחזות את המזון המועדף רק על ידי מדידת ההרכב המולקולרי של הגנום. הממצאים פורסמו ב מיקרוביולוגיה טבע.

בעוד התחום נמצא בחיתוליו, האקולוגים המיקרוביאליים מחפשים דרכים להעריך ולתאר במהירות קהילות מיקרוביאליות המתרחשות באופן טבעי, בין אם בסביבה פראית ובין אם בבית חולים. על ידי פיתוח תיאוריה של הרכבה של חיידקים, הם מקווים שהם יוכלו ללמוד לראות את האקולוגיות המיקרוסקופיות הבלתי נראות ברובן והמשתנות במהירות, המתגלות מסביבנו.

שדה ללא תיאוריה

המיקרוביולוגיה הוגבלה במשך מאות שנים על ידי מידת יכולתם של מדענים לראות מה עומד מולם. אפילו בתחילת שנות ה-2000, אם מיקרוביולוג שפך קהילת חיידקים על צלחת פטרי, זו הייתה משימה מונומנטלית לזהות את המינים, תת-המינים והזנים המגוונים שבתוכה. היו יותר מדי אורגניזמים שהתערבבו יחד, נחלשו וזורמים עם הזמן, כאשר מקורות המזון הזמינים השתנו ומינים חיו ומתו. מדענים יכלו לעשות מעט יותר מאשר לזהות מושבות בודדות אחת בכל פעם לפי צורה, צבע, מורפולוגיה ודרישות תזונתיות.

עד לשנים האחרונות, זה הותיר את התחום עם מעט תיאוריה מגדירה כדי להסביר כיצד מיקרוביומים מתאספים וללא אקסיומות איתנות לפירוש תוצאות ניסוי. בשנת 2007 כתבה קבוצה של מיקרוביולוגים טבע ביקורות מיקרוביולוגיה שהיעדר זה של תיאוריה נבע הן מחוסר נתונים והן מחוסר יכולת בשטח ליישם תיאוריה אקולוגית על העולם המיקרוסקופי. ללא תיאוריה, לתחום מדעי אין מבנה, אין צורה ואין כוח ניבוי, הם טענו. אקולוג מיקרוביאלי יכול לעשות כל תצפית על קהילה; ללא תיאוריה שתסביר את חשיבותו, הכל יכול להיות נכון.

"לפעמים אנחנו מתלוננים שדברים לא מפתיעים באקולוגיה מיקרוביאלית", אמר תמונה של אלווארו סאנצ'ס, אקולוגית מיקרוביאלית במכון לביולוגיה פונקציונלית וגנומיקה, מכון משותף של מועצת המחקר הלאומית הספרדית ואוניברסיטת סלמנקה. "אין לנו קודמים חזקים. אין לנו תיאוריית חיזוי, ולכן שום דבר לא מפתיע".

כלים גנטיים חדשים, לעומת זאת, הובילו לדרכים חדשות לתיאור קהילות מיקרוביאליות. רצף סנגר, שבמשך עשרות שנים היה השיטה המהירה ביותר לריצוף גנים, הצליח לזהות רק חיידקים אחד אחד. ואז, באמצע שנות ה-2000, טכנולוגיית רצף בתפוקה גבוהה הפכה לזמינה, ובשנות ה-2010 היא הפכה למשתלמת למדי. מיקרוביולוגים יכלו לזהות מינים לפי כל DNA שהיה זמין בדגימה.

אקולוגים מיקרוביאליים השתוללו עם זה. "אנשים עשו רצף לכל דבר", אמר גלן ד'סוזה, אקולוגית מיקרוביאלית במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה בציריך. "התחום נשלט על ידי תיאור מי היה שם - הבאג הזה היה בסביבה הזו; הבאג הזה היה בסביבה הזו."

לפתע, שפע של נתונים חשף מגוון מיקרוביאלי לא ידוע עד כה. בשנת 2009, פחות מ-1,000 גנומים חיידקיים רוצו לחלוטין. עד 2014, היו יותר מ 30,000. הנתון הזה התגבר מאז: בסוף 2023 היו 567,228 גנומים חיידקיים מלאים, ניתן לעיון בקלות וזמין להצלבה. כיום חיידקים מהווים כמעט 80% מכל הנתונים הגנומיים הזמינים.

"לאנשים פשוט לא היה מושג כמה מינים יהיו", אמר גרלקה, שמנהל כעת מעבדה משלו באוניברסיטת VU באמסטרדם. "אי אפשר להבדיל ביניהם היטב תחת המיקרוסקופ."

עם זאת, זיהוי מיני חיידקים בודדים בקהילה יכול לומר למדענים רק כל כך הרבה. השמות שלהם לא בהכרח אומרים הרבה על מה שכל באג תורם או איך הקהילה משתלבת.

"קהילות אלה הן בעלות מימד גבוה", אמר ג'קופו גרילי, אקולוגית מיקרוביאלית תיאורטית ופיזיקאית לשעבר במרכז הבינלאומי של עבדוס סלאם לפיזיקה תיאורטית בטריאסטה, איטליה. "אם אנחנו מנסים להבין [אותם], עלינו להתמודד עם העובדה שיש הרבה מאוד אוכלוסיות, מינים רבים ושונים - לא משנה מה המשמעות של 'מין' - בקהילות האלה. לכל המינים האלה יש את כל המוזרויות שלהם, ואיכשהו הם מתקיימים במקביל."

ב2018, כדי מדע מאמר מאת סאנצ'ז והצוות שלו נתנו למיקרוביולוגים רשות לפשט את החשיבה שלהם. מחקר פורץ הדרך שלהם הראה שאם תיקח צעד אחורה ותיתן לפרטים מאוד ספציפיים, כמו שמות מינים מדויקים, להתמוסס, תוכל להבין טוב יותר את ההיגיון של קהילת חיידקים, כאילו אתה צופה בציור מופשט ממרחק.

כמו גרילי, סנצ'ז היה פיזיקאי לפני שפנה לאקולוגיה מיקרוביאלית. "החלטתי להתחיל לעבוד על אקולוגיה וקהילות מיקרוביאליות כי שמתי לב שברמה הכמותית, זה היה תחום שלא נחקר היטב כמו האבולוציה", אמר סנצ'ז.

לצורך המחקר, המעבדה שלו גידלה חיידקי בר שהותרבו מעלים מתים ואדמה סביב ניו הייבן, קונטיקט. הם מצאו שבהינתן אותה מערכת של תנאים סביבתיים - אותם מקורות פחמן, טמפרטורה, חומציות וכן הלאה - כל קהילה מיקרוביאלית תגיע בערך לאותו הרכב פונקציונלי, לא משנה איך זה התחיל. בניסויים שלו, בכל אוכלוסייה, הופיעו אותן גומחות והתמלאו שוב ושוב, אם כי לא בהכרח על ידי אותו מין של חיידקים.

המחקר שינה את האופן שבו מיקרוביולוגים הסתכלו על הקהילה. כאשר סאנצ'ז השווה בין קהילות שנדגמו מאותה סביבה, שמות החיידקים תמיד היו שונים, אמר ד'סוזה. "אבל אם אתה מסתכל על תוכן הגנים הפונקציונליים, כמו מי עושה מה? זה דומה באופן מפתיע", אמר. "אז זה לא משנה מי אתה; מה שאתה עושה חשוב."

כוח הניבוי של הגנום

בשנת 2018, גרלקה בדיוק הגיעה לבוסטון כדי לעבוד כפוסט דוקטורט במעבדה של קורדרו ב-MIT. הוא התחיל כביופיזיקאי, חקר את התכונות הפיזיקליות של תאים, בנפרד ובמצברים. הוא החליט להצטרף לתוכנית המחקר של קורדרו מכיוון שלשני החוקרים היו חזונות דומים: לפתח הבנה כמותית ממעוף הציפור של קהילות חיידקים.

לקורדרו היה מקפיא מצויד בחיידקים מהאוקיינוס ​​האטלנטי, שהמעבדה שלו השתמשה בו כדי למצוא תגלית מעניינת על האופן שבו קהילות מיקרוביאליות נוצרות סביב מקורות מזון, שפורסם ב- ביולוגיה נוכחית בשנת 2019. הם הפילו כדורי כיטין - פולימר של מולקולות סוכר חוזרות המרכיבות קונכיות חרקים - לתוך תרביות של חיידקים שגדלו מהדגימות הימיות. כשהמדענים דגו את הכדורים בחזרה החוצה, הם בדקו אילו קהילות נוצרו. חיידקים אוכלי כיטין נצמדו כצפוי לכיטין - אבל היו גם חיידקים שלא אכלו כיטין. נראה היה שהחיידקים האלה אכלו את תוצרי הלוואי שנפלטו על ידי אוכלי הכיטין. אוכלי הכיטין ואוכלי הלוואי יצרו קהילה.

זה סיקרן את גרלקה. נראה היה שאפשר לחזות את סוג הקהילה ממקורות המזון שלה בלבד: ממקור המזון המקורי, ולאחר מכן מהמקורות החדשים שנוצרו כאשר החיידקים הראשוניים פירקו אותה. הוא תהה אם יוכל לחזות את קשת השינויים של קהילה מיקרוביאלית אם ישלוט בתנאי ההתחלה שלה.

ואז, מיד כשהצטרף למעבדה של קורדרו, "יצא נייר מהמעבדה של אלווארו [סנצ'ז] שעשה התזה די גדולה", אמר גרלקה - העבודה משנת 2018 המראה שמופיעות נישות מיקרוביאליות צפויות שניתן למלא על ידי מינים רבים ושונים. . הרעיון שתפקוד חשוב יותר ממינים היה הגיוני בעיניו. "באדמה לפעמים מוצאים אלפי חיידקים שונים. ואז זה מהר מאוד פותח שאלות", אמר. "איך יש אלפי מינים? בטח אין אלפי נישות שונות".

בשילוב שתי התובנות הללו מקורדרו וסנצ'ז, גראלקה תהה אם הוא יכול לא רק לחזות קהילה מיקרוביאלית ממקור המזון ההתחלתי שלה, אלא גם להסיק נישות מהגנום של החיידק.

גרלקה דגמה את המקפיא של קורדרו. ראשית, הוא היה צריך לאפיין את החיידקים על סמך המאכלים שהם מעדיפים. באמצעות כלים בעלי תפוקה גבוהה, הוא גידל 186 מיני חיידקים שונים בתרבויות בתוספת של 135 מקורות מזון שונים. בסך הכל, גרלקה מדד את שיעורי הגדילה של יותר מ-25,000 דגימות חיידקים.

יש מגוון גדול ב-186 מיני חיידקים כמו שיש ב-186 בני אדם שונים, וכמו לבני אדם, לחיידקים יש דפוסים והרגלים משלהם. חלק מהחיידקים של גרלקה צמחו במהירות על סוכרים, ואחרים צמחו במהירות על חומצות, כולל חומצות אורגניות כמו חומצת לימון וכן חומצות אמינו, אבני הבניין של חלבונים. באמצעות הנתונים הללו, גרלקה הציב את המין על מה שהוא כינה ציר חומצת סוכר בהתבסס על העדפותיהם.

אחר כך הוא רצף את ה-DNA של כל 186 המינים כדי לראות איך הם קשורים מבחינה אבולוציונית. גרלקה הופתע לראות שלמינים קרובים בתוך אותן משפחות פילוגנטיות יש לעתים קרובות העדפות מטבוליות שונות. לדוגמה, סדר החיידקים בצורת מוט Alteromonadales הכיל בתוכו את אוכלי החומצה קולוליה, אוכלי הסוכר Paraglaciecola והפחות בררן Pseudoalteromonas, שאכל את שניהם. זה תמך ברעיון הרחב יותר ששמות מינים אינם מעבירים מידע רב על תפקוד החיידקים בתוך קהילה מיקרוביאלית נתונה.

ואז הניתוח של גרלקה חפר עמוק יותר לתוך ה-DNA של החרקים. כדי לקשר את הגנום לתפקוד המטבולי, הוא חיפש גנים הידועים כמעורבים בעיכול וחילוף חומרים של סוכרים, ועשה את אותו הדבר לגבי חומצות. הוא מצא שמספר הגנים אוכלי סוכר או חומצה ניבא היכן נפל כל חיידק על ספקטרום חומצות הסוכר: ככל שלמין היו יותר גנים לתהליך כזה או אחר כך גדל הסיכוי שינחת בקצה הציר הזה. . הממצאים העלו כי מיקרוביולוגים יכולים לבסס באופן גס את חילוף החומרים של קהילה על ידי חיפוש אחר רצפים של גנים מסוימים.

ואז הוא מצא משהו יותר מפתיע. תוך התעלמות מרצפי הגנים בפועל, הוא הסתכל ישירות על פירוק ה-DNA של זן. בסליל הכפול של ה-DNA, ארבעת סוגי הבסיסים בגדילים המנוגדים מזווגים, כאשר גואנין (G) קשור לציטוזין (C) ותימין (T) קשור לאדנין (A). באופן בלתי צפוי, לגנום של אוכלי חומצה היה ממוצע של 55% תכולת GC, בעוד שתכולת GC של אוכלי סוכר הייתה ממוצעת של כ-40%. כדי לאשר שהמתאם הזה לא היה מוזרות של הקהילה המיקרוביאלית הספציפית שלו, גרלקה ניתח מערך נתונים גדול יותר של אלפי גנומים התייחסות מרחבי עץ החיים של החיידקים. הדפוס החזיק מעמד: למומחי חומצה הייתה בדרך כלל תכולת GC גבוהה יותר מאשר למומחי סוכר.

כלל זה נראה פשוט בצורה בלתי נתפסת. הכימיה של ה-DNA של החיידק ניבאה את הנישה שלו בקהילה. גרלקה יכל לזהות האם מין אכל בעיקר סוכרים או חומצות על סמך תכולת הגנום שלו בלבד, מבלי לבחון כלל את הגנים שלו. סטטיסטיקה וגנומיקה מצאו סדר פשוט שבו הטקסונומיה לא ראתה שום.

חיזוי העתיד המיקרוביאלי

העבודה מניחה את הבסיס למדע חדש של ביצוע תחזיות מעשיות לגבי קהילות מיקרוביאליות. נגיד שצינור דולף ושופך נפט גולמי ביער; אולי מיקרוביולוג או מדען סביבתי ירצו לדעת אילו חיידקים יצצו לאכול את השמן הזה. רופא עשוי לרצות לדעת כיצד מיקרוביום המעי של חולה עשוי להשתנות במהלך המחלה, ואפשר להשתמש בתחזית זו כדי לרשום אנטיביוטיקה ספציפית או תרופות אחרות.

ניתן לענות על שאלות רבות ולפתור בעיות אם חוקרים יכולים להעריך במהירות את הפונקציות של קהילה מיקרוביאלית. "במעבדה שלי, אנחנו קוראים לזה הדילמה של המאמן", אמר סאנצ'ס. "יש לך חבורה של שחקנים, ואתה רוצה להבין את מי אתה צריך לשים על המגרש אם אתה רוצה למקסם את התוצאה שלך. יש לי רשימה זו של 100 זנים; אני רוצה לשים אותם בביוריאקטור, ואני רוצה לייצר כמה שיותר אתנול. אז איזה זנים כדאי לי להכניס?"

הכללים שאקולוגים חיידקים חושפים עדיין לא יכולים לענות על השאלה הזו. עם זאת, הערכה מהירה של חילוף החומרים המיקרוביאלי - או תיאוריית עבודה של קהילות חיידקים והגנים שלהם - יכולה לשמש יום אחד כדי ללמוד ולנהל עולם של תהליכים אקולוגיים, אמר גרלקה.

קהילות מיקרוביאליות הן שחקניות מפתח בכל מחזור אקולוגי על פני כדור הארץ. כאשר עץ נופל ביער, אוסף של פטריות וחיידקים מתאספים כדי לאכול ולפרק אותו, ומחזירים את מרכיבי העץ למחזורי תזונה גלובליים. עם המושגים שהוצגו על ידי גראלקה, סנצ'ז, קורדרו ואקולוגים מיקרוביאליים אחרים, הנישות של הקהילה החדשה הזו ניתנות לחיזוי. עץ מורכב ברובו מתאית והמיצלולוזה, שהם פולימרים של גלוקוז; לכן, קהילה מתפקדת בשלה להשתתפות בפירוק יער תארח חיידקים אוכלי סוכר, תהיה מצויה בשפע של גנים מעכלי סוכר, ובעלת גנומים המורכבים משיעור נמוך יותר של מולקולות GC. עלייה פתאומית ומסתורית בקרב אוכלי חומצה יכולה להיות סימן למשהו לא בסדר, הציע גרלקה.

ציר הסוכר-חומצה הוא רק סוג אחד של גומחה קהילתית שהאקולוגים המיקרוביאליים האלה רוצים לזהות. קורדרו הציע את המערכת האקולוגית של היער כדוגמה למטרה הסופית שלהם. אקולוגים הגדירו תכונות כלליות רבות ותפקודים המשותפים בין יערות ונבדלים ביניהם, מה שמאפשר השוואה וחיזוי.

"כמה ביומסה יש על העלים לעומת הגזע? מסתבר שצמחים בעלי עלים ענקיים עושים יותר נשימה בסביבות טרופיות", אמר קורדרו. "כמה עמוקים השורשים? זה אומר לך כמה חומרים מזינים הם יכולים לקחת מהסביבה. כמה מהר הם יגדלו? כמה גבוהים הם? עד כמה הם טובים [ב] להתחרות על האור?" הכרת אפילו כמה מהמשתנים האלה יכולה לספר לנו הרבה על הדינמיקה של יער.

קורדרו אינו יודע מה יכולות להיות התכונות המקבילות למיקרואורגניזמים ולקהילות שלהם. נישות חיידקיות רבות בוודאי קשורות לחילוף החומרים ולתוצרי הלוואי שלהן, אבל יש זוויות אחרות שצריך לקחת בחשבון. "אם היו לנו דרכים ללמוד מה הם המשתנים האלה... ודרכים לזהות אותם באופן שיטתי, זה היה מדהים", אמר.

במובן מסוים, המדענים הללו ממפים באופן אקולוגי קהילות מיקרוביאליות בפעם הראשונה. עבודתם מציעה השקפה חדשה על מהי בעצם קהילה מיקרוביאלית - מראה שמה שהם חיידקים מוגדר בצורה הטובה ביותר כדבר שהם עושים.

הערת העורך: Cordero מוביל את שיתוף הפעולה של Simons on Principles of Microbial Ecosystems, תוכנית מחקר הנתמכת על ידי קרן סימונס, שגם מממנת את זה מגזין עצמאי מבחינה עריכה. להחלטות המימון של קרן סימונס אין השפעה על הסיקור שלנו.