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新技术发现了医学和生态相关的细菌群

新方法识别生态和医学相关的细菌群。鉴于植物和动物中的物种已成为一些生物学家的全职职业,但对于居住在地球上的无数微生物来说,任务更加艰巨。现在,麻省理工学院的研究人员开发了一种简单的基因流测量方法,可以定义细菌和古细菌中具有重要生态意义的种群,包括精确定位与人类疾病相关的种群。

麻省理工学院土木与环境工程教授马丁波尔兹及其同事在8月8日的“细胞”杂志上写道,基因流量指标将遗传和生态上不同的群体中的共存微生物分开。

Polz和他的同事们还开发了一种方法来识别这些群体中基因组的部分,这些群体显示出可以映射到不同环境的不同适应性。例如,当他们在肠道细菌上测试他们的方法时,他们能够确定不同的细菌群体与健康个体和患有克罗恩病的患者相关。

生物学家通常将一组植物或动物称为物种,如果该组与其他植物或动物生殖隔离 - 也就是说,该组中的个体可以相互繁殖,但它们不能与其他人一起繁殖。因此,物种的成员共享一组与其他物种不同的基因。许多进化理论都以物种和种群为中心,是特定地区物种的代表。

但微生物“无视植物和动物的经典物种概念,”波尔兹解释说。微生物倾向于无性繁殖,简单地将自己分成两部分而不是将它们的基因与其他个体结合以产生后代。他说,微生物也因“从病毒等环境来源摄取DNA”而臭名昭着。“病毒可以将DNA转移到微生物细胞中,DNA可以整合到它们的基因组中。”

这些过程使得难以基于其遗传组成将共存的微生物分类成不同的群体。“如果我们无法识别微生物中的这些种群,我们就不能一对一地将所有这些为植物和动物开发的丰富的生态和进化理论应用于微生物,”波尔兹说。

例如,如果研究人员想要在面对环境变化时衡量生态系统的适应力,他们可能会研究物种内的种群如何随时间变化。“如果我们不知道一个物种是什么,就很难测量和评估这些类型的扰动,”他补充说。

基因流动的标准

马丁和他的同事决定寻找另一种方法来定义微生物中具有生态意义的种群。在微生物学研究生Philip Arevalo的带领下,研究人员开发了一种基因流量度量,他们称之为PopCOGenT(群体为基因转移群)。

PopCOGenT测量密切相关的基因组之间的近期基因流或基因转移。一般而言,最近交换DNA的微生物基因组应该分享更长和更频繁的相同DNA片段,而不是通过将DNA分成两部分进行繁殖。研究人员表示,如果没有这种最近的交换,这些共享的相同DNA片段的长度会缩短,因为突变会将新的“字母”插入片段。

两种微生物菌株在遗传上彼此不相同但分享相同DNA的相当大的“块”,可能与其他菌株相互交换更多的遗传物质。这种基因流量测量可以定义不同的微生物群

例如,在弧菌细菌中,密切相关的群体可能共享一些核心基因序列,但通过对最近基因流量的测量,它们看起来彼此完全隔离,Polz及其同事发现。

Polz说,PopCOGenT方法可能比以前的研究更有效地定义微生物种群,因为它关注的是密切相关的生物体中最近的基因流动,而不是包括过去几千年可能发生的基因流动事件。

该方法还表明,虽然微生物不断从其环境中摄取不同的DNA,这可能会掩盖基因流动的模式,“可能是这种不同的DNA真的通过从种群中快速选择而被去除,”Polz说。

反向生态学方法

微生物学研究生David VanInsberghe随后提出了一种“反向生态学”方法,该方法可以识别这些新定义的群体中基因组区域,这些群体显示“选择性扫描” - DNA变异减少或消除的地方,可能是由于对特定有益遗传变异的强烈自然选择。

通过识别种群内的特定扫描,并绘制这些种群的分布图,该方法可以揭示可能的适应性,驱使微生物栖息在特定的环境或宿主 - 没有任何先前的环境知识。当研究人员在肠道细菌Ruminococcus gnavus中测试这种方法时他们发现了与健康人和克罗恩病患者相关的不同微生物群。

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