Исследование микробного разнообразия: тогда и сейчас

Микробы составляют большую часть разнообразия жизни на нашей планете. Существует больше видов микробов, чем растений, позвоночных и насекомых вместе взятых. Микробы (также называемые микроорганизмами) существуют уже миллиарды лет. Они приспособились практически к любой окружающей среде на Земле и могут есть практически все, включая металлы, кислоты, нефть и природный газ — все они токсичны для нас.Микробиологи только начали выделять и изучать микробную жизнь. По их оценкам, было идентифицировано менее одного процента всех микробных видов. Сколько их там? Кто они? И что они делают? Современные генетические инструменты помогают ученым ответить на некоторые из этих вопросов. Исследователи считают, что изучение микробов откроет новые биохимические вещества, полезные для человека в качестве лекарств, биотоплива и многого другого.

Посетите Microbes at Work , чтобы узнать больше о разнообразных ролях, которые микробы играют в окружающей среде.

Микробы живут повсюду — даже в местах, которые мы привыкли считать несовместимыми с жизнью.

Традиционные методы изучения микробов. (слева) Различные методы окрашивания и микроскопии помогают выявить физические характеристики микробов; CDC / Дон Сталонс . (в центре) При выращивании на плотных питательных средах разные виды микробов образуют колонии с разными характеристиками; CDC/Larry Stauffer, Лаборатория общественного здравоохранения штата Орегон . (справа) Ученые выращивают микроб в различных питательных средах, чтобы узнать о его пищевых потребностях; CDC / доктор Фрэнсис Форрестер.

Микробы были обнаружены в середине 1600-х годов сразу после изобретения микроскопа. Их в значительной степени игнорировали до конца 1800-х годов, когда люди начали понимать, что микробы вызывают болезни. Как только они поняли значение микробов, исследователи начали разрабатывать методы выделения и выращивания микробов в лаборатории. Они использовали микроскопию для изучения их физических форм (стержень, сфера, спираль) и методы культивирования для классификации микробов на основе пищи, которую они ели, и продуктов жизнедеятельности, которые они производили.
Методы микроскопии и культивирования многому нас научили, и они используются до сих пор. Но они дают ограниченное представление о микробном мире. Многие микробы выглядят одинаково под микроскопом, и многие из них не будут расти вне своей естественной среды. Таким образом, ранние микробиологи могли изучать лишь небольшое количество микробов — тех, которые выросли в лаборатории. Только когда в 1990-х годах стало доступно секвенирование ДНК, эти ограничения были преодолены.
Технология секвенирования ДНК произвела революцию в том, как мы изучаем микробы. Его можно проводить на одном микробе, взятом непосредственно из его естественной среды обитания, поэтому исследования больше не ограничиваются небольшой долей микробов, которые будут расти в лаборатории.

Сегодня исследователи изучают микробы, анализируя их ДНК, чаще всего ген, кодирующий малую субъединицу рибосомы (ген 16S рРНК). Рибосома является важной частью клеточного механизма производства белка. Все бактерии имеют ген 16S рРНК, но точная последовательность ДНК уникальна для каждого вида. Поэтому он используется как своего рода молекулярный отпечаток пальца. Когда ученые изолируют микроб, они секвенируют его ген 16S рРНК и сравнивают его с известными последовательностями в базе данных. Если они найдут совпадение, то смогут идентифицировать вид. Если они НЕ находят соответствия, значит, они открыли новый вид.
Исследования рибосомной РНК расширили наши представления о микробном мире и выявили эволюционные отношения между видами. Близкородственные организмы имеют больше сходства в своих генах рРНК, чем отдаленно родственные организмы. Генетические данные использовались для построения генеалогических деревьев, которые показывают эволюционные отношения между микробами, а также другими организмами. Анализ рРНК также привел к открытию третьего домена жизни, называемого археями, который теперь отличается от бактерий и эукариот. С помощью анализа рРНК мы узнали, что количество микробных видов на планете намного больше, чем мы когда-то думали.

Исследователь смотрит на последовательности ДНК разных микробов.

Метагеномика — это изучение микробов и их сообществ в контексте их естественной среды обитания. Все гены в микробном сообществе в совокупности называются метагеномом.

Новейшая технология секвенирования ДНК выводит генетические исследования на новый уровень. Теперь исследователи могут секвенировать метагеном или полный геном каждого микроба в образце из окружающей среды. Удивительно, но за один эксперимент можно секвенировать более 10 000 микробных геномов! Исследователи не могут сказать, какие гены принадлежат какому микробу. Но анализируя гены вместе, они могут узнать, что делают микробы.
Этот метод важен, потому что, хотя большинство микробов являются одноклеточными организмами, они живут и работают в различных сообществах. Они зависят друг от друга и часто не могут жить самостоятельно. Например, продукты распада одного микроба могут быть пищей для другого (вероятно, поэтому многие микробы нельзя культивировать). Секвенируя все гены микробного сообщества — метагенома — исследователи могут идентифицировать новые виды и изучать гены, важные для выживания сообщества.
Уже микробные сообщества оказались резервуаром полезных биохимических веществ. Мы надеемся научиться у этих микробных химиков делать новые лекарства; производить биотопливо; и очистить загрязненную почву, воздух и воду.