介绍
细菌不会举办晚宴或讲笑话,但它们以自己的方式进行社交。当食物的存在给它们提供生长、繁殖和进化的机会时,它们就会迅速甚至热切地形成群落。就像沿着水道崛起的港口城市一样,多样化的细菌和其他微生物群落会认识到良好的生长环境并自我发展。
每个细菌城市都有一个起源故事。一桶发酵数月的葡萄酒、囊性纤维化患者肺部的生物膜和富含硫磺的温泉都始于一组创始人细胞,这些细胞随后形成了一个强大的相互作用物种网络。这些群落可以执行任何单一物种无法单独完成的生化功能。需要法定人数 乳球菌 和 链球菌 菌株共同努力给予 切达奶酪 它的质地和味道。肠道菌群的不同组合可以 增强或钝化 药丸的有效性。
然而,没有明显的规则来解释细菌群落如何组装或为什么某些物种能够繁衍生息。大多数生物学家在描述生物群落时,都会对现有物种进行名册编目。但细菌种类的数量如此之多,它们的寿命如此之短,而且任何两个物种之间的差异如此之小,以至于物种名称不一定能提供有用的信息。
这就是为什么一群由物理学家转型为微生物学家的人正在尝试大规模使用基因组测序技术来揭示可能控制细菌群落的任何普遍规则——一种微生物的大数据方法。他们没有直接点出物种的名字,而是关注生物体的作用,目的是认识到在特定群落中哪些角色是重要的。
“存在冗余——比如,两个物种可以执行相同的功能——而相同的物种可以执行不同的功能,具体取决于环境是否改变,”说 奥托·科尔德罗麻省理工学院微生物学家。 “分类不如功能提供更多信息。”
去年在科尔德罗的实验室,微生物学家领导的研究 马蒂·格拉尔卡 确定了一组无需物种信息即可预测的微生物功能。在描述了从大西洋收集的 186 种不同细菌菌株的新陈代谢特征后,他发现他可以仅根据特定微生物的基因组来预测其基本食物偏好。
介绍
这种模式使研究人员能够绕过分解一种或另一种食物来源所涉及的基因序列。 Gralka 的团队发现,他们只需测量基因组的分子组成就可以预测首选食物。研究结果发表于 自然微生物学.
虽然该领域还处于起步阶段,但微生物生态学家正在寻找快速评估和描述自然存在的微生物群落的方法,无论是在野生环境中还是在医院中。通过发展微生物组装理论,他们希望能够学会看到我们周围展开的基本上不可见且快速变化的微观生态。
没有理论的领域
几个世纪以来,微生物学一直受到科学家观察眼前事物的能力的限制。即使在 2000 年代初期,如果微生物学家将细菌群落倒入培养皿中,识别其中的不同物种、亚种和菌株也是一项艰巨的任务。太多的生物体混合在一起,随着时间的推移,随着可用食物来源的变化和物种的生存和死亡,它们消长和流动。科学家们只能通过形状、颜色、形态和营养需求一次识别一个菌落。
直到最近几年,该领域几乎没有定义理论来解释微生物组如何组装,也没有可靠的公理来解释实验结果。 2007 年,一群微生物学家在 自然评论微生物学 理论的缺乏源于数据的缺乏和整个领域无法将生态理论应用到微观世界。他们认为,如果没有理论,科学领域就没有结构、没有形式,也没有预测能力。微生物生态学家可以对群落进行任何观察;如果没有理论来解释其重要性,任何事情都可能是真的。
“有时我们会抱怨微生物生态学中的事情并不奇怪,”说 Alvaro Sanchez占位符图像是功能生物学和基因组学研究所的微生物生态学家,该研究所是西班牙国家研究委员会和萨拉曼卡大学的联合研究所。 “我们没有很强的先验知识。我们没有预测理论,所以没什么奇怪的。”
然而,新的遗传工具带来了描述微生物群落的新方法。桑格测序是几十年来最快的基因测序方法,但只能一一识别微生物。然后,在 2000 年代中期,高通量测序技术出现,并在 2010 年代变得相当实惠。微生物学家可以通过样本中的任何 DNA 来识别物种。
微生物生态学家对此非常着迷。 “人们正在对一切进行排序,”说 格伦·迪索萨是瑞士苏黎世联邦理工学院的微生物生态学家。 “这个领域主要是描述谁在那里——这个错误在这个环境中;这个错误就在那个环境中。”
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突然间,大量数据揭示了迄今为止未知的微生物多样性。 2009年,只有不到1,000个细菌基因组被完全测序。到 2014 年,已有 比30,000。此后这个数字不断膨胀:到 2023 年底,完整的细菌基因组有 567,228 个, 易于浏览 并可供交叉参考。如今,细菌占所有可用基因组数据的近 80%。
“人们根本不知道会有多少物种,”格拉尔卡说,他现在在阿姆斯特丹自由大学经营着自己的实验室。 “在显微镜下你无法很好地区分它们。”
然而,识别群落中的单个细菌种类只能告诉科学家这么多。他们的名字不一定能说明每个错误的贡献或社区如何结合在一起。
“这些社区是高维的,”说 雅各布·格里利是意大利的里雅斯特阿卜杜勒·萨拉姆国际理论物理中心的理论微生物生态学家和前物理学家。 “如果我们试图了解[它们],我们就必须面对这样一个事实:这些群落中有很多很多种群、很多不同的物种——无论‘物种’意味着什么。所有这些物种都有自己的特点,并且以某种方式共存。”
在2018 科学 纸 桑切斯和他的团队允许微生物学家简化他们的想法。他们的突破性研究表明,如果您退后一步,让高度具体的细节(例如确切的物种名称)消失,您可以更好地理解细菌群落的逻辑,就像您从远处观看一幅抽象画一样。
和格里利一样,桑切斯在转向微生物生态学之前也是一名物理学家。桑切斯说:“我决定开始研究生态学和微生物群落,因为我注意到在定量层面上,这是一个没有像进化论那样得到充分研究的领域。”
在这项研究中,他的实验室培养了从康涅狄格州纽黑文周围的枯叶和土壤中培养的野生细菌。他们发现,在相同的环境条件下——相同的碳源、温度、酸度等——任何微生物群落都会达到大致相同的功能组成,无论它是如何开始的。在他的实验中,每个种群都会出现相同的生态位,并一次又一次地被填充,尽管不一定是由相同种类的细菌组成。
这项研究改变了微生物学家对社区的看法。迪索萨说,当桑切斯比较从同一环境采样的群落时,细菌的名称总是不同的。 “但是如果你看看功能基因的内容,比如谁做了什么?这令人惊讶地相似,”他说。 “所以你是谁并不重要;你所做的事情很重要。”
基因组的预测能力
2018 年,Gralka 刚刚抵达波士顿,在麻省理工学院 Cordero 实验室担任博士后。他最初是一名生物物理学家,研究细胞的物理特性,无论是单个细胞还是整体细胞。他决定加入科尔德罗的研究项目,因为两位研究人员有着相似的愿景:对微生物群落进行定量、鸟瞰的了解。
Cordero 有一个冰箱,里面装满了大西洋微生物,他的实验室用它做出了一个关于食物来源周围微生物群落如何形成的有趣发现,发表在 当代生物学 2019 年,他们将几丁质球(一种由重复糖分子组成的聚合物,构成昆虫壳)放入从海洋样本中培养的细菌培养物中。当科学家们把球打捞出来时,他们观察了形成的群落。可以预见的是,吃几丁质的微生物会粘附在几丁质上,但也有一些细菌不吃几丁质。这些细菌似乎以甲壳素食者排出的副产品为食。吃几丁质的动物和吃副产品的动物形成了一个群落。
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这引起了格拉尔卡的兴趣。似乎可以仅根据其食物来源来预测群落的类型:从最初的食物来源,然后从最初的细菌分解食物时产生的新来源。他想知道如果他控制微生物群落的起始条件,他是否可以预测微生物群落的变化弧线。
然后,就在他加入 Cordero 的实验室时,Gralka 说:“Alvaro [Sanchez] 的实验室发表了一篇论文,引起了相当大的轰动。”2018 年的研究表明,可预测的微生物生态位似乎可以被许多不同的物种填补。 。功能比物种更重要的想法对他来说很有意义。 “在土壤中有时会发现数千种不同的细菌。然后很快就会出现问题,”他说。 “怎么会有几千种呢?当然,不存在成千上万个不同的利基市场。”
结合 Cordero 和 Sanchez 的这两个见解,Gralka 想知道他是否不仅可以从微生物群落的起始食物来源预测微生物群落,还可以从细菌的基因组推断生态位。
格拉尔卡品尝了科德罗的冰箱样品。首先,他需要根据细菌喜欢的食物来描述它们的特征。他使用高通量工具,在补充有 186 种不同食物来源的培养物中培养了 135 种不同的细菌物种。总而言之,Gralka 测量了 25,000 多个细菌样本的生长率。
186 种细菌的种类与 186 种不同人类的种类一样多,而且与人类一样,每种细菌都有自己的模式和习惯。格拉尔卡的一些细菌在糖上快速生长,而另一些细菌在酸上快速生长,包括柠檬酸等有机酸以及蛋白质的组成部分氨基酸。利用这些数据,格拉尔卡根据物种的偏好将其置于他所谓的糖酸轴上。
然后他对所有 186 个物种的 DNA 进行了测序,看看它们在进化上是如何相关的。格拉尔卡惊讶地发现,同一系统发育家族中密切相关的物种往往具有不同的代谢偏好。例如,其中包含的杆状细菌交替单胞菌目是食酸菌 鸡尾草属, 吃糖的人 副冰川属 和不那么挑剔的人 假交替单胞菌,两者都吃了。这支持了更广泛的观点,即物种名称并不能传达有关特定微生物群落中细菌功能的太多信息。
然后,格拉尔卡的分析更深入地挖掘了这些虫子的 DNA。为了将基因组与代谢功能联系起来,他寻找了已知参与糖消化和代谢的基因,并对酸进行了同样的研究。他发现,吃糖或吃酸的基因数量可以预测每种微生物在糖酸谱上的位置:一个物种在一个过程或另一个过程中拥有的基因越多,它落在轴的那一端的可能性就越大。 。研究结果表明,微生物学家可以通过搜索某些基因的序列来粗略地确定群落的新陈代谢。
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然后他发现了更令人惊讶的事情。他忽略了实际的基因序列,直接观察了菌株 DNA 的分子分解。在 DNA 双螺旋中,相对链中的四种碱基配对,鸟嘌呤 (G) 与胞嘧啶 (C) 结合,胸腺嘧啶 (T) 与腺嘌呤 (A) 结合。出乎意料的是,食酸者的基因组GC含量平均为55%,而食糖者的GC含量平均为40%左右。为了确认这种相关性不是他的特定微生物群落的怪癖,Gralka 分析了来自细菌生命树的数千个参考基因组的更大数据集。这种模式成立:酸专家的 GC 含量通常比糖专家的高。
这个规则看起来简单得难以想象。细菌 DNA 的化学成分预测了它在群落中的地位。格拉尔卡可以仅根据其基因组的内容来识别一个物种是否主要吃糖或酸,而根本不需要检查其基因。统计学和基因组学发现了分类学没有发现的简单顺序。
预测微生物的未来
这项工作为对微生物群落进行实际预测的新科学奠定了基础。假设一条管道泄漏并溢出森林中的原油;微生物学家或环境科学家可能想知道什么细菌会出现来吃掉这种油。医生可能想知道患者的肠道微生物组在疾病过程中如何变化,并可能利用该预测来开出特定的抗生素或其他药物。
如果研究人员能够快速估计微生物群落的功能,许多问题都可以得到解答和解决。 “在我的实验室,我们称之为教练的困境,”桑切斯说。 “你有一群球员,如果你想最大化你的得分,你想弄清楚应该让谁上场。我有 100 个菌株的清单;我想把它们放入生物反应器中,我想制造尽可能多的乙醇。那么我应该放入哪些菌株呢?”
微生物生态学家正在揭示的规则还不能回答这个问题。然而,格拉尔卡说,对微生物代谢的快速评估——或者细菌群落及其基因的工作理论——有朝一日可以用于研究和管理生态过程的世界。
微生物群落是地球上每个生态循环的关键参与者。当森林中的一棵树倒下时,一连串的真菌和细菌就会聚集起来吃掉并分解它,将树的成分返回到全球营养循环中。根据 Gralka、Sanchez、Cordero 和其他微生物生态学家提出的概念,这个新群落的利基是可以预测的。木材主要由纤维素和半纤维素组成,它们是葡萄糖聚合物;因此,一个适合参与林地分解的功能群落将承载食糖细菌,富含糖消化基因,并且具有由较低比例的GC分子组成的基因组。格拉尔卡表示,食酸者的数量突然神秘增加可能是出现问题的征兆。
糖酸轴只是这些微生物生态学家想要识别的一种群落生态位。科尔德罗以森林生态系统为例来说明他们的最终目标。生态学家已经定义了森林之间共有的许多一般特征和功能,并且它们之间存在差异,从而可以进行比较和预测。
“叶子与树干上的生物量有多少?事实证明,拥有巨大叶子的植物在热带环境中进行更多的呼吸作用,”科尔德罗说。 “根有多深?这告诉您它们可以从环境中吸收多少营养。他们的成长速度有多快?他们有多高?它们争夺光的能力有多强?”即使了解其中一些变量也可以告诉我们很多有关森林动态的信息。
科德罗不知道微生物及其群落可能具有哪些类似特征。许多细菌生态位肯定与其新陈代谢和副产物有关,但还有其他角度需要考虑。 “如果我们有办法了解这些变量是什么……以及系统地识别它们的方法,那就太棒了,”他说。
从某种意义上说,这些科学家首次绘制了微生物群落的生态图。他们的工作提出了一种关于微生物群落实际上是什么的新观点——表明微生物是什么最好由它们所做的来定义。
编者注:Cordero 领导了西蒙斯微生物生态系统原理合作项目,这是一个由西蒙斯基金会支持的研究项目,该项目也资助该项目 编辑独立杂志. 西蒙斯基金会的资助决定对我们的报道没有影响。
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