6 Minuten
Senoviniai mikrobai, išsaugoti mamuto liekanose
Tarptautinė grupė, vadovaujama Centre for Palaeogenetics, išgavo mikrobų DNR iš vilnujų ir stepės mamutų liekanų, kurių amžius siekia daugiau nei milijoną metų. Šis darbas — paskelbtas žurnale Cell — yra vienas seniausių kada nors aptiktų su šeimininku susijusių mikrobų DNR pavyzdžių ir atveria naują langą į ilgalaikes Pleistoceno megafaunos bei jos mikrobiomų sąveikas. Tyrėjai patikrino 483 mamutų egzempliorius, įskaitant 440, kurių genomų anksčiau nebuvo sekvenuota, ir pritaikė pažangius genomikos bei bioinformatikos įrankius, kad atskirtų mikrobus, gyvenusius kartu su mamutais, nuo tų, kurie kolonizavo liekanas po mirties.
Metodai: autentifikuojant mikrobinį signalą iš tolimos praeities
Komanda sujungė didelio pralaidumo sekvenavimą, pažeidimų modelių analizę ir griežtas kontaminacijos kontrolės priemones, kad atskirtų senovinius, su šeimininku susijusius mikrobus nuo šiuolaikinių aplinkos užteršimų. Mėginiai apėmė dantis, iltis ir kaulo fragmentus iš skirtingų geografinių regionų ir laikotarpių, tarp jų — ypač reikšmingą stepės mamuto egzempliorių, datuojamą maždaug 1,1 milijono metų. Laboratoriniai tyrimai vyko pagal griežtas senovinės DNR protokolų taisykles: specializuotos švaros zonos, neigiami kontroliniai mėginiai ir bioinformatikos filtrai, identifikuojantys būdingą fragmentaciją bei citozino į timiną pakitimus, būdingus degraduotai senovinei DNR.
Bioinformatiniai metodai taip pat padėjo suskirstyti DNR sekas į grupes, greičiausiai kilusias iš gyvo kiekvieno gyvūno mikrobiomo, ir tas, kurios atsirado po palaidojimo. Šis atskyrimas remiasi nuosekliomis taksonominėmis tendencijomis tarp individų, išsaugojimo žymėmis ir palyginimais su šiuolaikinėmis giminaitėmis. Sudėjus šiuos įrodymus, tyrėjai galėjo rekonstruoti dalines mikrobų genomas ir nustatyti, kad kai kurios linijos kartu su mamutais išliko šimtus tūkstančių metų.
Pagrindiniai atradimai: ištvermingos mikrobinės linijos ir galimi patogenai
Visame duomenų rinkinyje autoriai identifikavo šešias mikrobines klades, nuolatos susijusias su mamutų liekanomis. Tai apima Actinobacillus, Pasteurella, Streptococcus ir Erysipelothrix giminės artimus giminaičius — gentis, kurios šiandien žinomos tiek kaip nekenksmingi komensalai, tiek kaip patogeninės atmainos. Vienas Pasteurella tipo bakterijos atstovas, aptiktas tyrime, yra glaudžiai susijęs su patogenu, sukėlusiu mirtinas protrūkimus šiuolaikiniuose Afrikos dramblio populiacijose, todėl kyla galimybė, kad mamutai buvo panašiai jautrūs tam tikroms infekcijoms.
Istoriniu požiūriu reikšmingas pasiekimas yra Erysipelothrix genomo fragmentų rekonstruojimas iš maždaug 1,1 milijono metų senumo stepės mamuto. Tai sudaro seniausią autentifikuotą su šeimininku susijusios mikrobų DNR pavyzdį, iki šiol aptiktą, ir įrodo, kad palankiomis sąlygomis mikrobiniai genominiai fragmentai gali išlikti gerokai ilgiau nei šeimininko genomui būdinga išsaugojimo trukmė. Šis radinys plečia laiko ribas, kuriomis galima tirti senovines šeimininko ir mikrobo sąveikas bei patogeninę ekologiją.
Mokslinis kontekstas ir reikšmė
Su šeimininku susiję mikroorganizmai evoliucionuoja greičiau nei jų dideli daugiaceliai šeimininkai; todėl jų genomų atkūrimas iš tolimos praeities suteikia galimybę tirti mikrobinę evoliuciją ir šeimininko–patogeno dinamiką evoliucinių laikotarpių skalėje. Rezultatai rodo, kad tam tikros mikrobų linijos egzistavo kartu su mamutais plačiuose geografiniuose regionuose ir ilgais laikotarpiais — nuo daugiau nei milijono metų prieš dabartį iki vilnujų mamutų vėlyvosios išlikimo fazės Wrangelo saloje maždaug prieš 4 000 metų.
Studijos vyresnysis autorius Tom van der Valk akcentuoja, kad senoviniai radiniai gali išsaugoti biologinę informaciją, viršijančią šeimininko genomą, o šie mikrobiniai įrašai suteikia naują perspektyvą, kaip mikroorganizmai įtakojo adaptaciją, ligas ir išnykimą Pleistoceno ekosistemose. Kartu autoriai įspėja, kad DNR degradacija, gedimų sukeliami šališkumai ir ribotos palyginamosios duomenų bazės apsunkina tikslų šių mikroorganizmų poveikio mamutų sveikatai nustatymą su visiška pasitikėjimo atsarga.
Apribojimai ir atsargumo priemonės
Senovinės mikrobinės DNR tyrimai susiduria su specifiniais iššūkiais: mikrobų DNR yra trumpesnė ir labiau linkusi į kontaminaciją nei stuburinių DNR, šiuolaikiniai giminaičiai dažnai prastai atstovaujami referencinėse duomenų bazėse, o tafonomriniai procesai gali įnešti aplinkos rūšių į fosilinius mėginius. Tyrėjai naudoja kelis autentifikacijos kriterijus, kad sumažintų šias problemas, tačiau tolesni darbai — ypač plečiant laukinės gamtos mikrobų referencinius genus — sustiprins interpretacijas.
Technologijos ir ateities perspektyvos
Progresas sekvenavimo technologijose, metagenominėje surinkimo metodikoje ir mašininio mokymosi klasifikacijoje buvo esminis šiam tyrimui. Augant mikrobų genomų referencinėms duomenų bazėms ir tobulėjant skaičiavimo metodams, paleomikrobiologija geriau galės rekonstruoti senovines mikrobinės bendruomenes, įvertinti evoliucinius greičius ir identifikuoti genus, susijusius su virulentiškumu ar šeimininko specifika. Etiniai ir praktiniai klausimai lydės bet kokius bandymus sintetinti ar funkcionaliai charakterizuoti senovinius mikrobus; pagrindinė šių atradimų vertė yra suprasti evoliuciją, ekologiją ir ligų dinamiką, o ne de-ekstinkciją.
Pritaikymas už paleontologijos ribų
Senovinių mikrobų rekonstrukcija padeda šiuolaikinei konservacijos biologijai, aiškinant istorines bazines būkles šeimininko mikrobiomams ir atskleidžiant patogenų evoliuciją artimų išnykusių rūšių giminaičiams, kaip Afrikos ir Azijos drambliai. Suvokimas apie praeities šeimininko–patogeno santykius gali padėti veterinarijos ir laukinės gamtos sveikatos specialistams įvertinti ilgalaikes ligų dinamikas ir galimas grėsmes nykstantiems gyvūnams.
Ekspertų komentaras
Dr. Elena Rossi, išgalvota evoliucinė mikrobiologė iš Institute for Ancient Genomics, komentuoja: "Išgauti mikrobų DNR, vyresnę nei milijonas metų, yra tiek techninis, tiek konceptualus lūžis. Tai keičią klausimus, kuriuos galime užduoti apie bendraevoliuciją — pereinant nuo vienkartinių vaizdų prie laiko eilučių, atskleidžiančių, kaip mikrobinės bendruomenės kito, kai šeimininkai prisitaikė prie besikeičiančio klimato ir kraštovaizdžio. Šis darbas taip pat pabrėžia poreikį turtingesnėms mikrobų referencinėms duomenų bazėms, kad senoviniai signalai būtų interpretuojami tiksliau."
Ateities kryptys
Kiti žingsniai apims tikslingą kandidatinių patogenų genomų praturtinimą, platesnį megafaunos liekanų geografinių pavyzdžių rinkimą ir lyginamąsias studijas su gyvais drambliais bei kitais proboscidiais. Tyrėjai taip pat sieks patobulintų metodų autentifikuoti ir surinkti degraduotus mikrobų genomus bei susieti konkrečius mikrobinus genus su savybėmis, tokiomis kaip atsparumas antibiotikams ar virulentiškumas. Tarpdisciplininės partnerystės — apjungiančios paleogenomiką, mikrobiologiją, ekologiją ir veterinarijos mokslą — bus būtinos, kad būtų galima pilnai išnaudoti gilios praeities mikrobiomo tyrimų potencialą.
Išvados
Mikrobų DNR atkūrimas iš mamutų liekanų, datuojamų daugiau nei milijonu metų, įrodo, kad fosilinis materialas gali išsaugoti ženklus apie mikrobus, gyvenusius kartu su išnykusiais gyvūnais. Nuolatos susijusių mikrobinių kladų, įskaitant potencialius patogenus, identifikavimas suteikia unikalią galimybę pažvelgti į šeimininko ir mikrobų bendraevoliuciją Pleistocene ir atveria naujas kryptis tirti ligas, adaptaciją ir išnykimą. Nors techniniai ir interpretaciniai iššūkiai išlieka, šis tyrimas žymi didelį pažangą paleomikrobiologijoje ir praplečia mūsų supratimą apie tai, kaip mikroorganizmai formavo gyvybės istoriją Žemėje.
Quelle: scitechdaily
Kommentare