박테리아는 저녁 파티를 열거나 농담을 하지 않지만 나름대로 사회적입니다. 먹이의 존재가 그들에게 성장, 번식, 진화할 기회를 제공할 때, 그들은 빠르게, 심지어 열성적으로 공동체를 형성할 것입니다. 수로를 따라 솟아오르는 항구 도시처럼, 다양한 박테리아와 기타 미생물 군집이 성장하기에 좋은 상황을 인식하고 스스로를 형성할 것입니다.

각 박테리아 도시에는 기원 이야기가 있습니다. 몇 달 동안 발효되는 와인 통, 낭포성 섬유증 환자의 폐에 있는 생물막, 유황이 풍부한 온천은 모두 상호 작용하는 종의 견고한 네트워크를 형성하는 일련의 창시자 세포에서 시작되었습니다. 이러한 공동체는 단일 종이 스스로 할 수 없는 생화학적 기능을 수행할 수 있습니다. 의 정족수가 필요합니다. 락토 코커스 과 연쇄상 구균 서로 협력하여 주는 계통 체다 치즈 그 질감과 탱. 장내 미생물의 다양한 조합이 가능합니다. 향상시키거나 둔화시키다 알약의 효능.

그러나 박테리아 군집이 어떻게 구성되는지 또는 특정 종이 번성하는 이유를 설명하는 명확한 규칙은 없습니다. 대부분의 생물학자들은 유기체 군집을 기술할 때 존재하는 종의 목록을 작성합니다. 그러나 박테리아 종의 수는 너무 방대하고, 수명도 너무 짧으며, 두 종 사이의 차이가 너무 미미해서 종 이름이 반드시 유용한 정보를 제공하지는 않습니다.

그렇기 때문에 물리학자에서 미생물학자로 변신한 그룹은 박테리아 군집을 지배할 수 있는 보편적인 규칙, 즉 미생물에 대한 빅데이터 접근 방식을 밝히기 위해 대규모 게놈 서열 분석 기술을 사용하려고 노력하고 있습니다. 종의 이름을 부르는 대신, 그들은 주어진 공동체 내에서 어떤 역할이 필수적인지 인식하는 것을 목표로 유기체가 하는 일에 초점을 맞추고 있습니다.

"두 종이 동일한 기능을 수행할 수 있는 중복성이 있으며 환경이 바뀌면 동일한 종이 다른 기능을 수행할 수 있습니다."라고 말했습니다. 오토 코데로, 매사추세츠 공과 대학의 미생물학자. "분류는 기능만큼 유익하지 않습니다."

작년에 Cordero의 연구실에서 미생물학자가 주도한 연구 마티 그랄카 종 정보 없이 예측할 수 있는 일련의 미생물 기능을 식별했습니다. 그는 대서양에서 수집한 186종의 서로 다른 박테리아 계통의 신진대사를 특성화한 후 게놈만을 기반으로 특정 미생물의 기본 식품 선호도를 예측할 수 있음을 발견했습니다.

이 패턴을 통해 연구자들은 하나의 식품 공급원 또는 다른 식품 공급원을 분해하는 데 관련된 유전자 서열을 우회할 수 있습니다. Gralka 팀은 게놈의 분자 구성을 측정하는 것만으로도 선호하는 음식을 예측할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 연구 결과는 자연 미생물학.

이 분야가 초기 단계에 있는 동안 미생물 생태학자들은 야생 환경이든 병원이든 관계없이 자연적으로 발생하는 미생물 군집을 신속하게 평가하고 설명할 수 있는 방법을 찾고 있습니다. 미생물 조립 이론을 개발함으로써 그들은 우리 주변에 펼쳐지는 눈에 보이지 않고 빠르게 변화하는 미세한 생태계를 보는 방법을 배울 수 있기를 바랍니다.

이론이 없는 분야

미생물학은 과학자들이 눈앞에 있는 것을 볼 수 있는 능력의 정도에 따라 수세기 동안 제한되었습니다. 2000년대 초반에도 미생물학자가 박테리아 군집을 페트리 접시에 쏟았을 경우 그 안에 있는 다양한 종, 아종 및 계통을 식별하는 것은 기념비적인 작업이었습니다. 이용 가능한 먹이원이 이동하고 종들이 살고 죽으면서 시간이 지남에 따라 너무 많은 유기체가 혼합되어 썰물과 흐름을 보였습니다. 과학자들은 모양, 색상, 형태 및 영양 요구 사항에 따라 개별 식민지를 한 번에 하나씩 식별하는 것 외에는 거의 할 수 없습니다.

최근 몇 년까지 이 분야에는 미생물군집이 어떻게 조립되는지 설명하기 위한 정의 이론이 거의 없었고 실험 결과를 해석하기 위한 견고한 공리도 없었습니다. 2007년에 한 미생물학자 그룹이 다음과 같은 글을 썼습니다. 자연 리뷰 미생물학 이러한 이론의 부재는 데이터 부족과 생태학적 이론을 미시 세계에 적용할 수 있는 현장 전반의 무능력에서 비롯된 것입니다. 이론이 없으면 과학 분야는 구조도, 형식도, 예측력도 없다고 그들은 주장했습니다. 미생물 생태학자는 공동체에 대해 어떤 관찰도 할 수 있습니다. 그 중요성을 설명하는 이론이 없다면 무엇이든 사실일 수 있습니다.

“때때로 우리는 미생물 생태학에서 놀라운 일이 아니라고 불평합니다.”라고 말했습니다. 알바로 산체스, 스페인 국립 연구 위원회와 살라망카 대학교의 공동 연구소인 기능 생물학 및 유전체학 연구소의 미생물 생태학자입니다. “우리는 강력한 사전 권한을 가지고 있지 않습니다. 우리에게는 예측 이론이 없으므로 놀라운 일은 없습니다.”

그러나 새로운 유전적 도구는 미생물 군집을 기술하는 새로운 방식을 가져왔습니다. 수십 년 동안 가장 빠른 유전자 염기서열 분석 방법이었던 Sanger 염기서열 분석은 미생물을 하나씩만 식별할 수 있었습니다. 그러다가 2000년대 중반에 높은 처리량의 시퀀싱 기술이 출시되었고, 2010년대에는 합리적인 가격이 되었습니다. 미생물학자들은 샘플에 들어 있는 DNA에 따라 종을 식별할 수 있었습니다.

미생물 생태학자들은 이에 열광했습니다. "사람들은 모든 것의 순서를 지옥처럼 찾고 있었습니다."라고 말했습니다. 글렌 디소우자, 스위스 취리히 연방 기술 연구소의 미생물 생태학자. “현장은 누가 거기에 있었는지 설명하는 것이 지배적이었습니다. 이 버그는 이 환경에 있었습니다. 이 버그는 그 환경에 있었습니다.”

갑자기, 엄청난 양의 데이터로 인해 지금까지 알려지지 않았던 미생물의 다양성이 드러났습니다. 2009년에는 1,000개 미만의 박테리아 게놈이 완전히 서열 분석되었습니다. 2014년에는 30,000 이상. 그 수치는 이후 부풀려져 2023년 말에는 567,228개의 완전한 박테리아 게놈이 있었습니다. 쉽게 탐색할 수 있는 및 상호 참조가 가능합니다. 오늘날 박테리아는 이용 가능한 모든 게놈 데이터의 거의 80%를 차지합니다.

현재 암스테르담 VU 대학교에서 자신의 연구실을 운영하고 있는 Gralka는 “사람들은 얼마나 많은 종이 있을지 전혀 몰랐습니다.”라고 말했습니다. "현미경으로는 그것들을 잘 구별할 수 없습니다."

그러나 공동체에서 개별 박테리아 종을 식별하는 것은 과학자들에게 단지 많은 것을 알려줄 수 있습니다. 그들의 이름이 각 버그의 원인이나 커뮤니티가 어떻게 조화를 이루는지에 대해 반드시 많은 것을 말해 주는 것은 아닙니다.

“이러한 커뮤니티는 고차원적입니다.”라고 말했습니다. 야코포 그릴리, 이탈리아 트리에스테에 있는 Abdus Salam 국제 이론 물리학 센터의 이론 미생물 생태학자이자 전직 물리학자입니다. “우리가 [그들을] 이해하려고 노력한다면, 우리는 이 공동체에 '종'이 의미하는 바가 무엇이든 간에 매우 많은 인구와 다양한 종이 있다는 사실을 다루어야 합니다. 이 모든 종들은 각자의 특성을 갖고 있고 어떻게든 공존하고 있습니다.”

2018의에 과학 종이 Sanchez와 그의 팀은 미생물학자에게 그들의 사고를 단순화할 수 있는 권한을 부여했습니다. 그들의 획기적인 연구에 따르면 한 걸음 물러서서 정확한 종 이름과 같은 매우 구체적인 세부 사항을 녹여버리면 마치 멀리서 추상화를 보는 것처럼 박테리아 군집의 논리를 더 잘 이해할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

Grilli와 마찬가지로 Sanchez도 미생물 생태학으로 전환하기 전에는 물리학자였습니다. “나는 양적 수준에서 그것이 진화만큼 잘 연구되지 않은 분야라는 것을 알았기 때문에 생태학과 미생물 군집에 대한 연구를 시작하기로 결정했습니다.”라고 Sanchez는 말했습니다.

연구를 위해 그의 연구실에서는 코네티컷주 뉴헤이븐 주변의 죽은 잎과 토양에서 배양된 야생 박테리아를 배양했습니다. 그들은 동일한 탄소원, 온도, 산도 등 동일한 환경 조건이 주어지면 모든 미생물 군집이 어떻게 시작되었는지에 관계없이 거의 동일한 기능적 구성에 도달한다는 것을 발견했습니다. 그의 실험에서 모든 개체군에 대해 동일한 틈새가 나타나고 반복적으로 채워졌지만 반드시 동일한 종의 박테리아에 의해 채워지는 것은 아닙니다.

이 연구는 미생물학자들이 공동체를 바라보는 방식을 바꾸었습니다. Sanchez가 동일한 환경에서 샘플링된 커뮤니티를 비교할 때 박테리아의 이름은 항상 달랐다고 D'Souza는 말했습니다. “하지만 기능적 유전자 함량을 보면 누가 무엇을 하는지 알 수 있죠? 놀랍게도 비슷하다”고 말했다. “그래서 당신이 누구인지는 중요하지 않습니다. 당신이 무엇을 하느냐가 중요해요.”

게놈의 예측력

2018년에 Gralka는 MIT Cordero 연구실에서 박사후 연구원으로 일하기 위해 보스턴에 막 도착했습니다. 그는 생물물리학자로 출발하여 세포의 물리적 특성을 개별적으로나 집합적으로 연구했습니다. 그는 두 연구자가 미생물 군집에 대한 양적, 조감도적 이해를 개발하려는 비슷한 비전을 갖고 있었기 때문에 Cordero의 연구 프로그램에 참여하기로 결정했습니다.

Cordero는 대서양 미생물이 보관된 냉동고를 가지고 있었는데, 그의 연구실은 이를 사용하여 식량원 주변에서 미생물 군집이 어떻게 형성되는지에 대한 흥미로운 발견을 했습니다. 현재 생물학 그들은 2019년에 곤충 껍질을 구성하는 반복적인 설탕 분자의 중합체인 키틴 공을 해양 샘플에서 자란 박테리아 배양물에 떨어뜨렸습니다. 과학자들은 공을 다시 꺼냈을 때 어떤 공동체가 형성되었는지 살펴보았습니다. 키틴질을 먹는 미생물은 키틴질에 달라붙을 것으로 예상됩니다. 그러나 키틴질을 먹지 않는 박테리아도 있었습니다. 그 박테리아는 키틴질을 먹는 사람들이 버린 부산물을 먹는 것 같았습니다. 키틴질을 먹는 사람들과 부산물을 먹는 사람들이 공동체를 형성했습니다.

이 흥미로운 Gralka. 공동체의 유형은 식량원만으로 예측할 수 있는 것처럼 보였습니다. 원래의 식량원과 초기 박테리아가 그것을 분해했을 때 생성된 새로운 원천으로부터 예측할 수 있었습니다. 그는 시작 조건을 제어하면 미생물 군집의 변화 호를 예측할 수 있는지 궁금했습니다.

그런 다음 그가 Cordero의 연구실에 합류하자마자 "Alvaro [Sanchez]의 연구실에서 꽤 큰 반향을 불러일으킨 논문이 나왔습니다."라고 Gralka는 말했습니다. 2018년 연구는 다양한 종에 의해 채워질 수 있는 예측 가능한 미생물 틈새가 나타나는 것을 보여줍니다. . 종보다 기능이 더 중요하다는 생각이 그에게는 이해가 되었습니다. “토양에서는 때때로 수천 가지의 다양한 박테리아를 발견할 수 있습니다. 그러면 매우 빠르게 질문이 열리게 됩니다.”라고 그는 말했습니다. “어떻게 수천 종의 종이 있습니까? 확실히 수천 개의 다양한 틈새 시장이 있는 것은 아닙니다.”

Cordero와 Sanchez의 두 가지 통찰력을 결합하여 Gralka는 시작 식량 소스에서 미생물 군집을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 박테리아의 게놈에서 틈새를 추론할 수 있는지 궁금해했습니다.

Gralka는 Cordero의 냉동고를 샘플링했습니다. 첫째, 그는 박테리아가 선호하는 음식을 기준으로 박테리아의 특성을 파악해야 했습니다. 그는 처리량이 높은 도구를 사용하여 186가지의 다양한 식품 공급원이 보충된 문화에서 135가지의 다양한 박테리아 종을 키웠습니다. 전체적으로 Gralka는 25,000개 이상의 박테리아 샘플의 성장률을 측정했습니다.

186종의 박테리아 종에는 인간 186종만큼 다양성이 있으며, 인간과 마찬가지로 박테리아도 각각 고유한 패턴과 습관을 가지고 있습니다. Gralka의 박테리아 중 일부는 설탕에서 빠르게 자랐고 다른 일부는 구연산과 같은 유기산과 단백질의 구성 요소인 아미노산을 포함한 산에서 빠르게 자랐습니다. 그 데이터를 사용하여 Gralka는 선호도에 따라 당산 축이라고 부르는 종을 배치했습니다.

그런 다음 그는 186종 전체의 DNA 서열을 분석하여 이들이 진화적으로 어떻게 관련되어 있는지 확인했습니다. Gralka는 동일한 계통발생 과 내에서 밀접하게 관련된 종들이 종종 서로 다른 대사 선호도를 갖는 것을 보고 놀랐습니다. 예를 들어, 막대 모양 박테리아인 Alteromonadales 목에는 산을 먹는 박테리아가 들어 있습니다. 콜웰리아, 설탕을 먹는 사람들 파라글라시에콜라 그리고 덜 까다롭다 슈도알테로모나스, 둘 다 먹었습니다. 이는 종 이름이 특정 미생물 군집 내에서 박테리아의 기능에 대한 많은 정보를 전달하지 않는다는 더 넓은 생각을 뒷받침했습니다.

그런 다음 Gralka의 분석은 버그의 DNA를 더 깊이 파고 들었습니다. 게놈을 대사 기능과 연관시키기 위해 그는 당분의 소화 및 대사에 관여하는 것으로 알려진 유전자를 찾았고, 산에 대해서도 동일한 작업을 수행했습니다. 그는 설탕이나 산을 먹는 유전자의 수가 설탕-산 스펙트럼에서 각 미생물이 어디에 속하는지 예측한다는 사실을 발견했습니다. 한 종이나 다른 과정에 대해 더 많은 유전자를 가질수록 축의 끝 부분에 착륙할 확률이 더 높습니다. . 연구 결과는 미생물학자들이 특정 유전자의 서열을 검색함으로써 공동체의 신진대사를 대략적으로 확립할 수 있음을 시사했습니다.

그러다가 그는 더 놀라운 사실을 발견했습니다. 실제 유전자 서열을 무시하고 그는 계통 DNA의 분자 분해를 직접 관찰했습니다. DNA의 이중나선에서는 반대 가닥의 네 가지 유형의 염기가 쌍을 이루어 구아닌(G)이 시토신(C)에 결합되고 티민(T)이 아데닌(A)에 결합됩니다. 예상외로, 산을 먹는 동물의 게놈은 평균 55%의 GC 함량을 갖고 있는 반면, 설탕을 먹는 동물의 게놈은 평균 40% 정도였습니다. 이 상관관계가 특정 미생물 군집의 특징이 아니라는 것을 확인하기 위해 Gralka는 박테리아 생명 나무 전반에 걸쳐 수천 개의 참조 게놈으로 구성된 더 큰 데이터 세트를 분석했습니다. 패턴은 유지되었습니다. 산성 전문가는 일반적으로 설탕 전문가보다 GC 함량이 더 높았습니다.

이 규칙은 상상할 수 없을 정도로 단순해 보였습니다. 박테리아 DNA의 화학적 성질은 공동체 내에서의 틈새 시장을 예측했습니다. Gralka는 유전자를 전혀 조사하지 않고 게놈의 함량만을 기반으로 종이 주로 설탕이나 산을 먹는지 여부를 식별할 수 있습니다. 통계와 유전체학은 분류학에서는 아무것도 볼 수 없는 단순한 순서를 발견했습니다.

미생물의 미래 예측

이 연구는 미생물 군집에 대한 실질적인 예측을 위한 새로운 과학의 토대를 마련했습니다. 파이프라인에서 누출이 발생하여 숲에 원유가 유출되었다고 가정해 보겠습니다. 미생물학자나 환경 과학자는 어떤 박테리아가 나타나서 그 기름을 먹을지 알고 싶어할 수도 있습니다. 의사는 질병이 진행되는 동안 환자의 장내 미생물군집이 어떻게 변할 수 있는지 알고 싶어할 수 있으며, 잠재적으로 이러한 예측을 사용하여 특정 항생제나 기타 의약품을 처방할 수도 있습니다.

연구자들이 미생물 군집의 기능을 신속하게 추정할 수 있다면 많은 질문에 답하고 문제를 해결할 수 있습니다. “내 연구실에서는 이를 코치의 딜레마라고 부릅니다.” 산체스가 말했습니다. “많은 선수가 있고 점수를 최대화하려면 누구를 코트에 배치해야 하는지 파악하고 싶습니다. 나는 100가지 계통의 목록을 가지고 있습니다. 나는 그것들을 생물반응기에 넣고, 가능한 한 많은 에탄올을 만들고 싶습니다. 그럼 어떤 균주를 넣어야 할까요?”

미생물 생태학자들이 밝히고 있는 규칙으로는 아직 그 질문에 답할 수 없습니다. 그러나 미생물 대사에 대한 빠른 평가 또는 박테리아 군집과 그 유전자의 작동 이론은 언젠가 생태학적 과정의 세계를 연구하고 관리하는 데 사용될 수 있다고 Gralka는 말했습니다.

미생물 군집은 지구상의 모든 생태주기에서 핵심적인 역할을 합니다. 나무가 숲에 떨어지면 수많은 곰팡이와 박테리아가 모여서 나무를 먹고 분해되어 나무의 구성 요소를 글로벌 영양 순환으로 되돌립니다. Gralka, Sanchez, Cordero 및 기타 미생물 생태학자가 도입한 개념을 통해 이 새로운 커뮤니티의 틈새 시장은 예측 가능합니다. 목재는 대부분 포도당 중합체인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스로 구성되어 있습니다. 따라서 삼림지대 분해에 참여할 수 있는 기능을 갖춘 공동체는 설탕을 먹는 박테리아를 수용하고 설탕을 소화하는 유전자가 풍부하며 낮은 비율의 GC 분자로 구성된 게놈을 갖게 됩니다. 산성 먹는 동물의 갑작스럽고 신비한 급증은 뭔가 잘못된 징후일 수 있다고 Gralka는 제안했습니다.

당-산 축은 미생물 생태학자들이 확인하고자 하는 공동체 틈새의 한 종류일 뿐입니다. Cordero는 궁극적인 목표의 예로 산림 생태계를 제시했습니다. 생태학자들은 숲 사이에 공유되고 숲 사이에서 다른 많은 일반적인 특성과 기능을 정의하여 비교와 예측을 가능하게 했습니다.

“잎과 줄기에 얼마나 많은 바이오매스가 있습니까? 거대한 잎을 가진 식물은 열대 환경에서 더 많은 호흡을 하는 것으로 밝혀졌습니다.”라고 Cordero는 말했습니다. “뿌리는 얼마나 깊습니까? 이는 그들이 환경에서 얼마나 많은 양분을 섭취할 수 있는지를 알려줍니다. 얼마나 빨리 성장할 것인가? 키가 얼마나 되나요? 그들은 빛을 위해 얼마나 잘 경쟁하고 있습니까?” 이러한 변수 중 몇 가지만 알면 숲의 역학에 대해 많은 것을 알 수 있습니다.

Cordero는 미생물과 그 공동체의 유사한 특성이 무엇인지 모릅니다. 많은 박테리아 틈새는 확실히 신진대사 및 부산물과 관련되어 있지만 고려해야 할 다른 측면도 있습니다. "이러한 변수가 무엇인지 배울 수 있는 방법과 이를 체계적으로 식별할 수 있는 방법이 있다면 정말 놀라운 일이 될 것입니다."라고 그는 말했습니다.

어떤 의미에서 이 과학자들은 최초로 미생물 군집을 생태학적으로 지도화하고 있습니다. 그들의 연구는 실제로 미생물 군집이 무엇인지에 대한 새로운 시각을 제시합니다. 즉, 미생물이 무엇인지는 미생물이 무엇을 하는지에 따라 가장 잘 정의된다는 점을 보여줍니다.

편집자 주: Cordero는 Simons 재단이 지원하는 연구 프로그램인 미생물 생태계 원리에 관한 Simons Collaboration을 이끌고 있습니다. 편집 독립 잡지. Simons Foundation 기금 결정은 당사의 보장에 영향을 미치지 않습니다.