Στο Tiny Scales, μια γιγάντια έκρηξη στο δέντρο της ζωής

Κάποτε ήταν ότι για να βρεις νέες μορφές ζωής, το μόνο που έπρεπε να κάνεις ήταν να κάνεις μια βόλτα στο δάσος. Τώρα δεν είναι τόσο απλό. Οι πιο ευδιάκριτοι οργανισμοί έχουν από καιρό καταλογογραφηθεί και στερεωθεί στο δέντρο της ζωής, και αυτοί που παραμένουν ανεξερεύνητοι δεν εγκαταλείπουν τον εαυτό τους εύκολα. Θα μπορούσατε να περάσετε όλη την ημέρα δίπλα στον ίδιο λάκκο με τα καλύτερα επιστημονικά όργανα και να μην καταλήξετε σε τίποτα.

Ίσως δεν αποτελεί έκπληξη, λοιπόν, ότι όταν γίνονται ανακαλύψεις, μερικές φορές έρχονται σε torrents. Βρείτε έναν διαφορετικό τρόπο εμφάνισης και νέες μορφές ζωής εμφανίζονται παντού.

Μια ομάδα μικροβιολόγων με έδρα το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ανακάλυψε πρόσφατα έναν τέτοιο νέο τρόπο ανίχνευσης ζωής. Με ένα εγκεφαλικό επεισόδιο, η εργασία τους επέκτεινε τον αριθμό των γνωστών τύπων - ή φυλών - βακτηρίων κατά σχεδόν 50 τοις εκατό, μια δραματική αλλαγή που δείχνει ακριβώς πόσες μορφές ζωής στη γη έχουν ξεφύγει από την αντίληψή μας μέχρι στιγμής.

«Μερικά από τα κλαδιά στο δέντρο της ζωής είχαν σημειωθεί στο παρελθόν», είπε ο Κρις Μπράουν, φοιτητής στο εργαστήριο της Τζιλ Μπάνφιλντ και κύριος συγγραφέας της εργασίας. "Με αυτή τη μελέτη μπορέσαμε να καλύψουμε πολλά κενά."

Το καλύτερο δίχτυ της ζωής

Ως οργανωτικό εργαλείο, το δέντρο της ζωής υπάρχει εδώ και πολύ καιρό. Ο Λαμάρκ είχε την εκδοχή του. Ο Δαρβίνος είχε άλλο. Η βασική δομή του σημερινού δέντρου πηγαίνει πίσω 40 χρόνια στον μικροβιολόγο Carl Woese, ο οποίος χώρισε τη ζωή σε τρεις τομείς:ευκαρυώτες, οι οποίοι περιλαμβάνουν όλα τα φυτά και τα ζώα. βακτήρια; και αρχαία, μονοκύτταροι μικροοργανισμοί με τα δικά τους ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Μετά από ένα σημείο, η ανακάλυψη εξαρτήθηκε από την εύρεση νέων τρόπων αναζήτησης.

«Πιστεύαμε ότι υπήρχαν μόνο φυτά και ζώα», είπε ο Έντουαρντ Ρούμπιν, διευθυντής του Κοινού Ινστιτούτου Γονιδιώματος του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. «Τότε πήραμε μικροσκόπια και πήραμε μικρόβια. Στη συνέχεια πήραμε μικρά επίπεδα αλληλουχίας DNA."

Η αλληλουχία DNA βρίσκεται στο επίκεντρο αυτής της τρέχουσας μελέτης, αν και η επιτυχία των ερευνητών οφείλει επίσης ένα χρέος σε πιο βασική τεχνολογία. Η ομάδα συνέλεξε δείγματα νερού από μια περιοχή έρευνας στον ποταμό Κολοράντο κοντά στην πόλη Rifle, Colo. Πριν κάνουν οποιαδήποτε αλληλουχία, πέρασαν το νερό μέσα από ένα ζευγάρι όλο και πιο λεπτά φίλτρα —με πόρους πλάτους 0,2 και 0,1 microns— και στη συνέχεια ανέλυσαν το κύτταρα που συλλαμβάνονται από τα φίλτρα. Σε αυτό το σημείο είχαν ήδη άγνωστη ζωή στα χέρια τους, για τον απλούστατο λόγο ότι οι επιστήμονες δεν είχαν σκεφτεί να κοιτάξουν σε τόσο μικρή κλίμακα πριν.

«Οι περισσότεροι άνθρωποι υπέθεσαν ότι τα βακτήρια ήταν μεγαλύτερα και τα περισσότερα βακτήρια είναι μεγαλύτερα», είπε ο Ρούμπιν. "[Banfield] έχει δείξει ότι υπάρχουν ολόκληροι πληθυσμοί που είναι πολύ μικροί."

Οι ερευνητές εξήγαγαν το DNA από το κυτταρικό υλικό και το έστειλαν στο Joint Genome Institute για αλληλούχιση. Αυτό που πήραν πίσω ήταν ένα χάος. Φανταστείτε ότι σας δίνουν ένα κουτί με κομμάτια από χιλιάδες διαφορετικά παζλ και πρέπει να τα συναρμολογήσετε χωρίς να ξέρετε πώς μοιάζει καμία από τις τελικές εικόνες. Αυτή είναι η πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές όταν εκτελούν μεταγονιδιωματική ανάλυση — αλληλουχία ανακατεμένου γενετικού υλικού από πολλούς οργανισμούς ταυτόχρονα.

Η ομάδα του Μπέρκλεϋ ξεκίνησε τη διαδικασία επανασυναρμολόγησης με αλγόριθμους που συναρμολόγησαν κομμάτια του γενετικού κώδικα με την ακολουθία σε ελαφρώς μεγαλύτερες σειρές που ονομάζονται contigs.

«Δεν έχετε πλέον μικροσκοπικά κομμάτια DNA, έχετε μεγαλύτερα κομμάτια», είπε ο Μπράουν. "Τότε θα καταλάβετε ποια από αυτά τα μεγαλύτερα κομμάτια αποτελούν μέρος ενός μόνο γονιδιώματος."

Αυτό το μέρος της διαδικασίας, στο οποίο τα contigs συνδυάζονται για την ανακατασκευή της αλληλουχίας του γονιδιώματος, ονομάζεται γονιδιακή δέσμευση. Για να το εκτελέσουν, οι ερευνητές βασίστηκαν σε ένα άλλο σύνολο αλγορίθμων, προσαρμοσμένο για την εργασία από τον Itai Sharon, συν-συγγραφέα της μελέτης. Συγκέντρωσαν επίσης μερικά από τα γονιδιώματα χειροκίνητα, παίρνοντας αποφάσεις για το τι πηγαίνει με βάση το γεγονός ότι ορισμένα χαρακτηριστικά είναι συνεπή για ένα δεδομένο γονιδίωμα. Για παράδειγμα, το ποσοστό των Gs και Cs θα είναι παρόμοιο σε οποιοδήποτε μέρος του DNA ενός οργανισμού.

Όταν ολοκληρώθηκε η συναρμολόγηση, οι ερευνητές είχαν οκτώ πλήρη βακτηριακά γονιδιώματα και 789 βυθισμένα γονιδιώματα που ήταν περίπου 90 τοις εκατό ολοκληρωμένα. Μερικοί από τους οργανισμούς είχαν δει προηγουμένως μια ματιά. πολλά άλλα ήταν εντελώς νέα.

Ο λόγος που κανείς δεν είχε βρει αυτούς τους οργανισμούς πριν είναι ότι η παραδοσιακή μέθοδος που χρησιμοποιείται για την αναζήτηση μικρών μορφών ζωής δεν λειτουργεί για τα πάντα. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει το γονίδιο 16S rRNA, το οποίο συχνά συγκρίνεται με ένα δακτυλικό αποτύπωμα επειδή ο γενετικός κώδικας που περιέχει είναι μοναδικός για κάθε οργανισμό. Όταν έρχονται αντιμέτωποι με ένα βραστό DNA, όπως αυτό από τα δείγματα νερού στο Rifle, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ουσίες που ονομάζονται εκκινητές για να αντλήσουν και να ενισχύσουν όλα τα γονίδια 16S rRNA. Το πρόβλημα είναι ότι δεν αντιδρούν όλα τα γονίδια 16S rRNA με τους εκκινητές, καθιστώντας ορισμένους οργανισμούς ουσιαστικά αόρατους.

«Τα αστάρια δεν λειτουργούν τόσο καλά όσο θα ήθελαν οι άνθρωποι», είπε ο Μπράουν. "Δείξαμε ότι πολλές από τις ακολουθίες που ανακατασκευάσαμε θα είχαν χαθεί από την παραδοσιακή μέθοδο τύπου ενίσχυσης 16S."

Ανακατασκευάζοντας πλήρη ή σχεδόν πλήρη γονιδιώματα, ο Brown και οι συνεργάτες του κατάφεραν να εντοπίσουν γονίδια 16S rRNA και να αναγνωρίσουν οργανισμούς χωρίς να βασίζονται σε εκκινητές. Η ομάδα δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο τεύχος 9 Ιουλίου του Nature .

Η πληρέστερη γονιδιωματική εικόνα που δημιούργησαν τους επέτρεψε επίσης να ξεχωρίσουν τα χαρακτηριστικά των μορφών ζωής που είχαν ανακαλύψει. Όλοι οι οργανισμοί που βρήκαν έχουν πολύ κοντά γονιδιώματα, περίπου ένα εκατομμύριο ζεύγη βάσεων (συγκρίνετε με το E. coli , που έχει περίπου πέντε εκατομμύρια), και όλα έχουν ελάχιστη μεταβολική λειτουργία, απαιτώντας τους να χρησιμοποιήσουν τη ζύμωση για να παράγουν ενέργεια. Επίσης, τους λείπουν πολλά βασικά βιοσυνθετικά μονοπάτια και χρειάζονται βοήθεια για τη δημιουργία νουκλεοτιδίων και αμινοξέων.

«Πρέπει να εξαρτώνται από άλλους οργανισμούς σε κάποια ιδιότητα για να επιβιώσουν. Αυτό εξηγεί επίσης γιατί κανείς δεν μπόρεσε να τα καλλιεργήσει στο εργαστήριο», είπε ο Μπράουν.

Ένας νέος τομέας;

Η ανακάλυψη νέων οργανισμών είναι αρκετά κομμένη και στεγνή:Ή έχετε βρει έναν ή δεν έχετε βρει. Η καταλογογράφηση των οργανισμών, η προσαρμογή τους στο δέντρο της ζωής, περιλαμβάνει περισσότερες κρίσεις.

Οι ερευνητές χώρισαν τους 789 οργανισμούς σε 35 φυλές — οι 28 από τις οποίες ανακαλύφθηκαν πρόσφατα — εντός της περιοχής βακτηρίων. Βασίσανε την ταξινόμηση στην εξελικτική ιστορία των οργανισμών και στις ομοιότητες στον κώδικα των γονιδίων 16S rRNA των οργανισμών — εκείνοι με τουλάχιστον το 75 τοις εκατό του κοινού κώδικά τους πήγαν στην ίδια φυλή.

Με αυτές τις νέες προσθήκες, υπάρχουν τώρα περίπου 90 ταυτοποιημένες βακτηριακές φυλές. Αυτό είναι πολύ περισσότερο από ό,τι πριν από ένα χρόνο, αλλά και πολύ λιγότερα από τα 1.300 με 1.500 φυλές που οι μικροβιολόγοι εκτιμούν ότι θα έχουμε μόλις ολοκληρωθεί η πλήρης λογιστική. Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις στη γενετική αλληλουχία και τη δέσμευση γονιδιώματος κάνουν τους Brown και Banfield αισιόδοξους, ωστόσο, ότι δεν θα αργήσουμε να τα χαρτογραφήσουμε όλα.

"Νομίζω ότι μεγάλο μέρος του δέντρου της ζωής θα εμφανιστεί τα επόμενα χρόνια", έγραψε ο Banfield σε ένα email.

Φυσικά, μόλις νομίζουμε ότι έχουμε δει τα πάντα, βρίσκουμε έναν νέο τρόπο να βλέπουμε. Ο Rubin πιστεύει ότι η ανάπτυξη εργαλείων όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στη νέα μελέτη καθιστούν την αναζήτηση της ζωής «βιομηχανία ανάπτυξης» και πιστεύει ότι είναι πιθανό η ανάπτυξη να συμβεί με εκπληκτικούς τρόπους.

«Η εξέταση των πραγμάτων από μια διαφορετική οπτική γωνία μπορεί να προσφέρει αυτή τη δυνατότητα ενός τέταρτου τομέα», είπε - ισότιμος συνεργάτης με τα βακτήρια, τα αρχαία και τους ευκαρυώτες. "Θα υπάρχουν πάντα νέα πράγματα που θα μας διδάσκουν βασικές πληροφορίες για το πώς λειτουργεί η ζωή."