Bakteriler akşam yemeği partileri düzenlemez veya şaka yapmazlar ancak kendi tarzlarında sosyaldirler. Yiyeceğin varlığı onlara büyüme, üreme ve gelişme fırsatı verdiğinde hızla, hatta şevkle topluluklar oluşturacaklar. Bir su yolu boyunca yükselen bir liman kenti gibi, çeşitli bakteri ve diğer mikroplardan oluşan bir topluluk, büyüme için iyi bir durumu fark edecek ve kendini geliştirecektir.

Her bakteri kentinin bir başlangıç ​​hikayesi vardır. Aylarca fermente edilen bir fıçı şarap, kistik fibrozlu bir hastanın akciğerlerindeki biyofilm ve kükürt bakımından zengin bir kaplıca, bunların hepsi, etkileşim halindeki türlerden oluşan sağlam bir ağ oluşturmaya devam eden bir dizi kurucu hücreyle başladı. Bu topluluklar hiçbir türün tek başına yapamayacağı biyokimyasal işlevleri yerine getirebilmektedir. Yeterli çoğunluk gerekir Laktokok ve streptokok vermek için birlikte çalışan suşlar çedar peyniri dokusu ve keskinliği. Bağırsak mikrobiyotasının farklı kombinasyonları geliştirmek veya köreltmek bir hapın etkinliği.

Ancak bakteri topluluğunun nasıl oluştuğunu veya belirli türlerin neden geliştiğini açıklayan açık kurallar yoktur. Biyologların çoğu, bir organizma topluluğunu tanımlamakla karşı karşıya kaldıklarında, mevcut türlerin listesini kataloglarlar. Ancak bakteri türlerinin sayısı o kadar çok, yaşam süreleri o kadar kısa ve herhangi iki tür arasındaki farklar o kadar küçük ki, tür adları her zaman yararlı bilgi sağlayamıyor.

Mikrobiyologlara dönüşen bir grup fizikçinin, bakteri topluluklarını yönetebilecek evrensel kuralları ortaya çıkarmak için genom dizileme tekniklerini büyük ölçekte kullanmaya çalışmasının nedeni budur; mikroplara büyük veri yaklaşımı. Türleri isimleriyle çağırmak yerine, belirli bir topluluk içinde hangi rollerin önemli olduğunu anlamak amacıyla organizmaların ne yaptığına odaklanıyorlar.

"İki türün aynı işlevi yerine getirebilmesi gibi bir fazlalık var ve aynı tür, çevreyi değiştirmenize bağlı olarak farklı işlevler gerçekleştirebilir" dedi Otto CorderoMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden bir mikrobiyolog. “Sınıflandırma, işlev kadar bilgilendirici değildir.”

Geçen yıl Cordero'nun laboratuvarında mikrobiyolog liderliğindeki araştırma Matti Gralka tür bilgisi olmadan tahmin edilebilecek bir dizi mikrobiyal fonksiyon tanımladı. Atlantik Okyanusu'ndan toplanan 186 farklı bakteri suşunun metabolizmasını karakterize ettikten sonra, yalnızca genomuna dayanarak belirli bir mikrobun temel besin tercihlerini tahmin edebildiğini buldu.

Bu model, araştırmacıların bir besin kaynağının veya diğerinin parçalanmasında rol oynayan gen dizilerini atlamasına olanak tanır. Gralka'nın ekibi, yalnızca genomun moleküler bileşimini ölçerek tercih edilen yiyeceği tahmin edebileceklerini keşfetti. Bulgular şu adreste yayınlandı: Doğa Mikrobiyoloji.

Mikrobiyal ekolojistler, bu alan henüz emekleme aşamasındayken, ister vahşi bir ortamda ister hastanede olsun, doğal olarak oluşan mikrobiyal toplulukları hızlı bir şekilde değerlendirmenin ve tanımlamanın yollarını arıyorlar. Bir mikrobiyal toplanma teorisi geliştirerek, etrafımızda ortaya çıkan, büyük ölçüde görünmez ve hızla değişen mikroskobik ekolojileri görmeyi öğrenebileceklerini umuyorlar.

Teorisi Olmayan Bir Alan

Mikrobiyoloji yüzyıllar boyunca bilim adamlarının önlerinde olanı görme yeteneğiyle sınırlıydı. 2000'li yılların başlarında bile, bir mikrobiyolog bir bakteri topluluğunu bir petri kabına döktüğünde, içindeki çeşitli türleri, alt türleri ve suşları tanımlamak muazzam bir görevdi. Mevcut besin kaynakları değiştikçe ve türler yaşayıp öldükçe çok fazla organizma birbirine karışmış, zaman içinde azalıp akmaya başlamıştı. Bilim insanları kolonileri şekil, renk, morfoloji ve besin gereksinimlerine göre teker teker tanımlamaktan fazlasını yapamadılar.

Son yıllara kadar bu durum, mikrobiyomların nasıl bir araya geldiğini açıklayan çok az tanımlayıcı teoriye ve deneysel sonuçların yorumlanmasına yönelik sağlam aksiyomlara sahip değildi. 2007 yılında bir grup mikrobiyolog şunu yazdı: Doğa Değerlendirmeleri Mikrobiyoloji Bu teori yokluğunun hem veri eksikliğinden hem de ekolojik teoriyi mikroskobik dünyaya uygulama konusundaki alan çapındaki yetersizlikten kaynaklandığı ortaya çıktı. Teori olmadan bilimsel bir alanın hiçbir yapısı, biçimi ve tahmin gücü olmayacağını ileri sürdüler. Bir mikrobiyal ekolojist, bir topluluk hakkında her türlü gözlemi yapabilir; önemini açıklayacak bir teori olmadan her şey doğru olabilir.

"Bazen mikrobiyal ekolojide bazı şeylerin şaşırtıcı olmadığından şikayet ediyoruz" dedi Alvaro Sanchez bilgi alanı resmiİspanyol Ulusal Araştırma Konseyi ve Salamanca Üniversitesi'nin ortak enstitüsü olan Fonksiyonel Biyoloji ve Genomik Enstitüsü'nde mikrobiyal ekolojist olan Dr. "Güçlü geçmişlerimiz yok. Tahmine dayalı bir teorimiz yok ve dolayısıyla hiçbir şey şaşırtıcı değil.”

Ancak yeni genetik araçlar, mikrobiyal toplulukları tanımlamanın yeni yollarına yol açtı. Onlarca yıldır gen dizilimi için en hızlı yöntem olan Sanger dizilimi, mikropları yalnızca tek tek tanımlayabildi. Daha sonra 2000'li yılların ortalarında yüksek verimli dizileme teknolojisi kullanıma sunuldu ve 2010'larda oldukça uygun fiyatlı hale geldi. Mikrobiyologlar, numunede mevcut olan DNA'ya göre türleri tanımlayabiliyorlardı.

Mikrobiyal ekolojistler bu konuda çılgına döndü. "İnsanlar her şeyi fena halde sıralıyorlardı" dedi Glen D'Souzaİsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih'te mikrobiyal ekolojist olan Dr. “Bu alanda kimin bulunduğunun tanımlanması hakimdi; bu hata bu ortamdaydı; bu hata o ortamdaydı.”

Aniden, çok sayıda veri, şimdiye kadar bilinmeyen mikrobiyal çeşitliliği ortaya çıkardı. 2009 yılında 1,000'den az bakteri genomunun dizilimi tamamen çıkarılmıştı. 2014 yılına gelindiğinde 30,000 daha fazla. O günden bu yana bu rakam çok arttı: 2023'ün sonunda 567,228 tam bakteri genomu vardı. kolayca göz atılabilir ve çapraz referans için kullanılabilir. Bugün bakteriler mevcut tüm genomik verilerin yaklaşık %80'ini oluşturmaktadır.

Şu anda Amsterdam'daki VU Üniversitesi'nde kendi laboratuvarını işleten Gralka, "İnsanların kaç tür olabileceğine dair hiçbir fikri yoktu" dedi. "Mikroskop altında onları birbirinden pek iyi ayırt edemezsiniz."

Ancak bir topluluktaki bireysel bakteri türlerinin belirlenmesi, bilim insanlarına ancak bu kadar şey anlatabilir. İsimleri, her bir hatanın neye katkıda bulunduğu veya topluluğun nasıl bir araya geldiği hakkında pek bir şey ifade etmiyor.

"Bu topluluklar çok boyutlu" dedi Jacopo Grilliİtalya'nın Trieste kentindeki Abdus Salam Uluslararası Teorik Fizik Merkezi'nde teorik mikrobiyal ekolojist ve eski fizikçi. "Eğer [onları] anlamaya çalışırsak, bu topluluklarda çok, çok sayıda popülasyonun, birçok farklı türün ('tür' ne anlama geliyorsa) olduğu gerçeğiyle uğraşmak zorundayız. Bütün bu türlerin kendine has özellikleri var ve bir şekilde bir arada var oluyorlar.”

2018 olarak, hiç Bilim kâğıt Sanchez ve ekibi mikrobiyologlara düşüncelerini basitleştirme izni verdi. Çığır açan araştırmaları, bir adım geri çekilip tür adları gibi son derece spesifik ayrıntıların erimesine izin verirseniz, sanki soyut bir tabloya uzaktan bakıyormuşsunuz gibi bakteri topluluğunun mantığını daha iyi anlayabileceğinizi gösterdi.

Grilli gibi Sanchez de mikrobiyal ekolojiye yönelmeden önce bir fizikçiydi. Sanchez, "Ekoloji ve mikrobiyal topluluklar üzerinde çalışmaya başlamaya karar verdim çünkü niceliksel düzeyde bunun evrim kadar iyi çalışılmamış bir alan olduğunu fark ettim" dedi.

Araştırma için laboratuvarı Connecticut'taki New Haven çevresindeki ölü yapraklardan ve topraktan kültürlenen yabani bakteriler yetiştirdi. Aynı çevresel koşullar (aynı karbon kaynakları, sıcaklık, asitlik vb.) göz önüne alındığında, herhangi bir mikrobiyal topluluğun, nasıl başlamış olursa olsun, kabaca aynı işlevsel bileşime ulaşacağını buldular. Deneylerinde, her popülasyonda aynı nişler ortaya çıktı ve tekrar tekrar dolduruldu; ancak mutlaka aynı bakteri türü tarafından doldurulması gerekmedi.

Araştırma mikrobiyologların topluma bakış açısını değiştirdi. D'Souza, Sanchez aynı ortamdan örneklenen toplulukları karşılaştırdığında bakterilerin adlarının her zaman farklı olduğunu söyledi. “Fakat fonksiyonel gen içeriğine baktığınızda kim ne yapıyor? Bu şaşırtıcı derecede benzer” dedi. “Yani kim olduğunun bir önemi yok; ne yaptığın önemli.”

Genomun Tahmin Gücü

2018 yılında Gralka, Cordero'nun MIT'deki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak çalışmak üzere Boston'a yeni gelmişti. Hücrelerin fiziksel özelliklerini tek tek ve toplu olarak inceleyen bir biyofizikçi olarak işe başlamıştı. Cordero'nun araştırma programına katılmaya karar vermişti çünkü iki araştırmacının vizyonları benzerdi: mikrobiyal topluluklara ilişkin niceliksel, kuşbakışı bir anlayış geliştirmek.

Cordero'nun Atlantik Okyanusu mikroplarıyla dolu bir dondurucusu vardı; laboratuvarı, mikrobiyal toplulukların gıda kaynakları etrafında nasıl oluştuğuna dair ilginç bir keşif yapmak için bunu kullanmıştı. Current Biology Böcek kabuklarını oluşturan tekrarlayan şeker moleküllerinden oluşan bir polimer olan kitin toplarını deniz örneklerinden yetiştirilen bakteri kültürlerine bırakmışlardı. Bilim insanları topları dışarı çıkardıklarında hangi toplulukların oluştuğuna baktılar. Kitin yiyen mikropların kitine yapıştığı tahmin ediliyordu; ancak kitini yemeyen bakteriler de vardı. Bu bakteriler, kitin yiyenlerin bıraktığı yan ürünleri yiyor gibi görünüyordu. Kitin yiyenler ve yan ürün yiyenler bir topluluk oluşturmuştu.

Bu Gralka'nın ilgisini çekti. Topluluğun türünün yalnızca besin kaynaklarından tahmin edilebilmesi mümkün görünüyordu: orijinal besin kaynağından ve daha sonra ilk bakteriler onu parçaladığında yaratılan yeni kaynaklardan. Başlangıç ​​koşullarını kontrol ederse mikrobiyal topluluğun değişimlerinin seyrini tahmin edip edemeyeceğini merak etti.

Daha sonra, Cordero'nun laboratuvarına katıldığında, "Alvaro'nun [Sanchez] laboratuvarından oldukça büyük bir sıçrama yaratan bir makale çıktı" dedi Gralka; 2018'deki çalışma, birçok farklı tür tarafından doldurulabilecek öngörülebilir mikrobiyal nişlerin ortaya çıktığını gösteriyor . İşlevin türden daha önemli olduğu fikri ona mantıklı geliyordu. "Toprakta bazen binlerce farklı bakteri bulabilirsiniz. O zaman bu çok hızlı bir şekilde soruların ortaya çıkmasına neden olur” dedi. “Nasıl binlerce tür var? Elbette binlerce farklı niş yok.

Cordero ve Sanchez'den elde edilen bu iki bilgiyi birleştiren Gralka, mikrobiyal topluluğu yalnızca başlangıçtaki besin kaynağından tahmin etmekle kalmayıp, aynı zamanda bakterilerin genomlarından nişler çıkarabildiğini de merak etti.

Gralka, Cordero'nun dondurucusunu inceledi. Öncelikle bakterileri tercih ettikleri yiyeceklere göre tanımlaması gerekiyordu. Yüksek verimli araçlar kullanarak, 186 farklı besin kaynağıyla desteklenen kültürlerde 135 farklı bakteri türü yetiştirdi. Gralka, 25,000'den fazla bakteri örneğinin büyüme oranlarını ölçtü.

186 bakteri türünde 186 farklı insandaki çeşitlilik kadar çeşitlilik vardır ve insanlar gibi bakterilerin de her birinin kendi kalıpları ve alışkanlıkları vardır. Gralka bakterilerinden bazıları şekerler üzerinde hızla gelişti, diğerleri ise sitrik asit gibi organik asitlerin yanı sıra proteinlerin yapı taşları olan amino asitler de dahil olmak üzere asitler üzerinde hızla büyüdü. Bu verileri kullanarak Gralka, türleri tercihlerine göre şeker-asit ekseni olarak adlandırdığı yere yerleştirdi.

Daha sonra evrimsel olarak nasıl akraba olduklarını görmek için 186 türün tamamının DNA'sını sıraladı. Gralka, aynı filogenetik aile içindeki yakın akraba türlerin sıklıkla farklı metabolik tercihlere sahip olduğunu görünce şaşırdı. Örneğin, içinde asit yiyicileri barındıran çubuk şeklindeki Alteromonadales bakterisi takımı Colwellia, şeker yiyenler Paraglaciecola ve daha az seçici Psödoalteromonas, ikisini de yedi. Bu, tür adlarının bakterilerin belirli bir mikrobiyal topluluk içindeki işlevi hakkında fazla bilgi taşımadığı yönündeki daha geniş fikri destekledi.

Daha sonra Gralka'nın analizi böceklerin DNA'sını daha da derinlemesine araştırdı. Genomu metabolik fonksiyonla ilişkilendirmek için şekerlerin sindirimi ve metabolize edilmesinde rol oynadığı bilinen genleri aradı ve aynısını asitler için de yaptı. Şeker veya asit yiyen genlerin sayısının, her bir mikrobun şeker-asit spektrumunda nereye düştüğünü öngördüğünü buldu: Bir türün bir süreç veya diğeri için ne kadar çok gen varsa, eksenin o ucuna inme olasılığı da o kadar yüksek olur . Bulgular, mikrobiyologların belirli genlerin dizilerini arayarak bir topluluğun metabolizmasını kabaca oluşturabileceklerini ileri sürdü.

Sonra daha şaşırtıcı bir şey buldu. Gerçek gen dizilerini göz ardı ederek doğrudan bir türün DNA'sının moleküler bozulmasına baktı. DNA'nın çift sarmalında, karşıt iplikçiklerdeki dört tip baz eşleştirilir; guanin (G) sitozine (C) ve timin (T) adenin (A)'ya bağlanır. Beklenmedik bir şekilde, asit yiyenlerin genomları ortalama %55 GC içeriğine sahipken, şeker yiyenlerin GC içeriği ortalama %40 civarındaydı. Bu korelasyonun kendi mikrobiyal topluluğuna özgü bir tuhaflık olmadığını doğrulamak için Gralka, bakteriyel yaşam ağacındaki binlerce referans genomundan oluşan daha büyük bir veri setini analiz etti. Model tutarlıydı: Asit uzmanları genellikle şeker uzmanlarından daha yüksek bir GC içeriğine sahipti.

Bu kural hayal edilemeyecek kadar basit görünüyordu. Bir bakterinin DNA'sının kimyası, onun toplumdaki yerini tahmin ediyordu. Gralka, bir türün genlerini hiç incelemeden, yalnızca genomunun içeriğine dayanarak öncelikle şeker mi yoksa asit mi yediğini belirleyebildi. İstatistik ve genom bilimi, taksonominin göremediği basit bir düzen buldu.

Mikrobiyal Geleceği Tahmin Etmek

Çalışma, mikrobiyal topluluklar hakkında pratik tahminler yapma konusunda yeni bir bilimin temelini atıyor. Bir boru hattının bir ormana ham petrol sızdırdığını ve döktüğünü varsayalım; bir mikrobiyolog veya çevre bilimci, o yağı yemek için hangi bakterilerin ortaya çıkacağını bilmek isteyebilir. Bir doktor, bir hastanın bağırsak mikrobiyomunun bir hastalığın seyri boyunca nasıl değişebileceğini bilmek isteyebilir ve potansiyel olarak bu öngörüyü spesifik antibiyotikler veya diğer ilaçları reçete etmek için kullanabilir.

Araştırmacılar bir mikrobiyal topluluğun işlevlerini hızlı bir şekilde tahmin edebilirlerse birçok soru yanıtlanabilir ve sorunlar çözülebilir. Sanchez, "Benim laboratuvarımda buna koçun ikilemi diyoruz" dedi. "Bir grup oyuncunuz var ve skorunuzu en üst düzeye çıkarmak istiyorsanız sahaya kimi çıkarmanız gerektiğini bulmak istiyorsunuz. 100 suştan oluşan bir listem var; Bunları bir biyoreaktöre koymak ve mümkün olduğu kadar çok etanol üretmek istiyorum. Peki hangi suşları koymalıyım?”

Mikrobiyal ekolojistlerin ortaya çıkardığı kurallar henüz bu soruyu yanıtlayamıyor. Bununla birlikte, Gralka, mikrobiyal metabolizmanın hızlı bir değerlendirmesinin (veya bakteri toplulukları ve genlerinin işleyen bir teorisinin) bir gün ekolojik süreçler dünyasını incelemek ve yönetmek için kullanılabileceğini söyledi.

Mikrobiyal topluluklar Dünya üzerindeki her ekolojik döngünün kilit oyuncularıdır. Ormanda bir ağaç düştüğünde, mantar ve bakterilerden oluşan bir grup bir araya gelerek onu yer ve ayrıştırır, böylece ağacın bileşenleri küresel besin döngülerine geri döner. Gralka, Sanchez, Cordero ve diğer mikrobiyal ekolojistlerin ortaya koyduğu konseptlerle bu yeni topluluğun nişleri tahmin edilebilir. Ahşap çoğunlukla glikoz polimerleri olan selüloz ve hemiselülozdan oluşur; bu nedenle, ormanlık alanların ayrışmasına katılmaya hazır, işleyen bir topluluk, şeker yiyen bakterilere ev sahipliği yapacak, şekeri sindiren genler bakımından bol olacak ve daha düşük oranda GC moleküllerinden oluşan genomlara sahip olacaktır. Gralka, asit yiyenlerin sayısında ani ve gizemli bir artışın bir şeylerin ters gittiğinin işareti olabileceğini öne sürdü.

Şeker-asit ekseni, bu mikrobiyal ekolojistlerin tanımlamak istediği topluluk niş türlerinden yalnızca biridir. Cordero, orman ekosistemini nihai amaçlarının bir örneği olarak sundu. Ekolojistler, ormanlar arasında paylaşılan ve aralarında farklılık gösteren birçok genel özellik ve işlevi tanımlayarak karşılaştırma ve tahmin yapılmasını mümkün kıldılar.

“Gövdeye kıyasla yapraklarda ne kadar biyokütle var? Cordero, büyük yaprakları olan bitkilerin tropikal ortamlarda daha fazla solunum yaptığı ortaya çıktı "dedi. “Kökler ne kadar derin? Bu size çevreden ne kadar besin alabileceklerini gösterir. Ne kadar hızlı büyüyecekler? Ne kadar uzunlar? Işık için rekabet etmede ne kadar iyiler?” Bu değişkenlerden birkaçını bilmek bile bize ormanın dinamikleri hakkında çok şey anlatabilir.

Cordero, mikroorganizmalar ve toplulukları için benzer özelliklerin neler olabileceğini bilmiyor. Pek çok bakteriyel niş kesinlikle metabolizmaları ve yan ürünleriyle ilişkilidir, ancak dikkate alınması gereken başka açılar da vardır. "Bu değişkenlerin ne olduğunu öğrenmenin ve onları sistematik olarak tanımlamanın yolları olsaydı, bu harika olurdu" dedi.

Bir bakıma bu bilim insanları ilk kez mikrobiyal toplulukların ekolojik haritasını çıkarıyorlar. Çalışmaları, mikrobiyal topluluğun gerçekte ne olduğuna dair yeni bir bakış açısı öneriyor; mikropların en iyi ne yaptıklarıyla tanımlanabileceğini gösteriyor.

Editörün notu: Cordero, Simons Vakfı tarafından desteklenen ve aynı zamanda bunu da finanse eden bir araştırma programı olan Simons Mikrobiyal Ekosistemlerin Prensipleri İşbirliği'ne liderlik etmektedir. editoryal bağımsız dergi. Simons Vakfı finansman kararlarının kapsamımız üzerinde hiçbir etkisi yoktur.