Baktérie a ich úloha

Počas svojej kariéry slávny biológ Lynn Margulis (1938 - 2011) tvrdil, že svet mikroorganizmov má oveľa väčší vplyv na celú biosféru (definovanú ako svet všetkého živého), ako vedci zvyčajne uznávajú.

Žijeme vo svete baktérií a to nás ovplyvňuje viac, ako sa doteraz myslelo.

V súčasnosti tím vedcov pôsobiacich na univerzitách po celom svete porovnal a vypracoval výsledky stoviek štúdií zameraných na interakcie zvierat a baktérií, väčšina z nich za posledné desaťročie, a ukázal, že Margulis mal pravdu. Kombinované výsledky naznačujú, že dôkazy podporujúce Margulisove tvrdenia dosiahli kritický okamih, a preto je potrebné, aby vedci opätovne preskúmali niektoré základné črty života z hľadiska zložitých vzájomne závislých vzťahov medzi baktériami a inými. extrémne odlišné formy života.

Projekt, ktorý zahŕňa preskúmanie existujúceho výskumu interakcií medzi zvieratami a baktériami, sa začal, keď si niektorí vedci uvedomili dôležitú úlohu, ktorú baktérie zohrávajú v ich vlastnej oblasti vedeckého záujmu. V prípade Michaela Hadfielda, profesora biológie na havajskej univerzite v Manoa, sa ocenenie počas mnohých rokov zvyšovalo, keď študoval metamorfózu morských živočíchov. Zistil, že určité baktérie spôsobujú, že morské larvy sa usadzujú na určitých miestach morského dna, kde sa menia na mladé ryby a trávia zvyšok svojho života.

„Len čo sme zistili, že určité bakteriálne biofilmy poskytujú nevyhnutný a jedinečný ligand, ktorý stimuluje globálne distribuované larvy globálne distribuovaných morských červov, náš výskum samozrejme začal postupovať smerom k štúdiu signálnej časti bakteriálneho genómu, ako aj iných druhov, v ktorých sme našli zapojené rovnaké gény, “uviedol Hadfield pre Phys.org. „Pri pohľade na štúdium interakcií zvierat a baktérií z rôznych hľadísk a pri poznávaní oveľa viac som dlho diskutoval s Margaret McFall-Ngai, profesorkou mikrobiológie a lekárskej imunológie na univerzite vo Wisconsine v Madisone, o rozsiahlej súčasnej situácii a potom som sa rozhodol skúsme spojiť významný počet odborníkov z rôznych prístupov k štúdiu interakcií medzi baktériami a zvieratami, aby sme vytvorili článok, aký máte napríklad v ruke. Navrhli sme „katalytické stretnutie“ na tému Národná vedecká nadácia pre národné vedy Evolučné syntetické centrum, Národné vedecké centrum pre vedeckú nadáciu (EHSV), ktoré bolo financované a projekt sa rozbehol. “

Baktérie nás obklopujú

V mnohých ohľadoch je ľahké vidieť dôležitú úlohu, ktorú vo svete zohrávajú baktérie. Baktérie boli jednou z prvých foriem života, ktoré sa na Zemi objavili asi pred 3,8 miliardami rokov, a s najväčšou pravdepodobnosťou prežijú dlho potom, čo ľudia zmiznú. V súčasnosti na strome života zaberajú jednu z troch hlavných vetiev (ďalšie dve sú Archaea a Eucarya, zvieratá patriace k tej druhej). Aj keď sú baktérie mimoriadne rozmanité a žijú takmer kdekoľvek na Zemi, od dna oceánu po vnútro našich čriev, spája ich niekoľko vecí. Majú podobnú veľkosť (niekoľko mikrometrov), sú zvyčajne tvorené buď jednou bunkou, alebo niekoľkými bunkami a ich bunky nemajú jadrá.

Aj keď vedci už mnoho rokov vedia, že zvieratá slúžia ako hostitelia baktérií, ktoré žijú hlavne v čreve, ústnej dutine a na koži, posledné štúdie zistili, aké početné sú tieto mikróby. Štúdie preukázali, že počet bakteriálnych buniek, ktoré majú ľudia, je 10-krát vyšší ako počet ľudských buniek. Celková hmotnosť baktérií však váži menej ako pol kilogramu, pretože bakteriálne bunky sú oveľa menšie ako ľudské bunky.

Zatiaľ čo niektoré z týchto baktérií jednoducho žijú so zvieratami bez toho, aby veľa interagovali, iné veľmi ovplyvňujú. Baktérie si často spájame s choroboplodnými „zárodkami“ alebo patogénmi a tieto baktérie sú zodpovedné za mnoho chorôb, ako je tuberkulóza, bubonický mor a infekcie meticilínom rezistentným Staphylococcus aureus. Baktérie však majú aj mnoho prospešných úloh a nedávny výskum poukazuje na to, že život zvierat by bez nich nebol rovnaký.

„Skutočný počet bakteriálnych druhov na svete je neuveriteľne vysoký, vrátane teraz objavených baktérií, ktoré obklopujú Zem v horných vrstvách našej atmosféry a v skalách hlboko pod morským dnom,“ uviedol Hadfield. na všetkých možných prostrediach, od bazénov až po horúce pramene, a takmer všade na povrchu a vo vnútri každého živého organizmu, takže podiel všetkých druhov baktérií, ktoré sú patogénne pre rastliny a zvieratá, je bezpečný. Mám podozrenie, že podiel, ktorý je prospešný alebo potrebný pre rastliny a živočíchy, je tiež relatívne malý v porovnaní s celkovým počtom baktérií prítomných vo vesmíre, a určite väčšina baktérií je z tohto pohľadu „neutrálna“. Som však tiež presvedčený, že počet prospešných mikróbov, dokonca aj potrebných mikróbov, je oveľa, oveľa vyšší ako počet patogénov. „

Živočíšny pôvod a spoločný vývoj

Od samého začiatku mohli baktérie hrať dôležitú úlohu pri účasti na potomkoch mnohobunkových organizmov (asi pred 1 - 2 miliardami rokov) a zvierat (asi pred 700 miliónmi rokov). . Vedci nedávno zistili, že jeden z najbližších žijúcich príbuzných mnohobunkových zvierat, jednobunkový choanoflagellát, reaguje na signály jednej z dravých baktérií. Tieto signály spôsobujú, že si deliace sa bunky choanoflagelátu udržujú spojenie, čo vedie k vzniku dobre koordinovaných kolónií, ktoré by sa mohli stať mnohobunkovými organizmami. Takéto otázky o pôvode však boli predmetom intenzívnych diskusií a vedci majú niekoľko hypotéz o tom, ako tieto formy života vznikli. Bakteriálna úloha v týchto procesoch nevylučuje ďalšie perspektívy, ale pridáva ďalší prvok.

Baktérie v mikroflóre zvieraťa, napríklad v čreve, ústach a koži, navzájom komunikujú a vymieňajú si signály s orgánovými systémami zvieraťa. Niektoré z chemických signálov sú zobrazené na obrázku vyššie. Poďakovanie: Margaret McFall-Ngai a kol. © 2013 PNAS

Akonáhle pomohli zvieratám pri štarte, dôležitú úlohu zohrali aj baktérie, ktoré im pomáhali pri ich evolučnej ceste. Aj keď sa všeobecne predpokladá, že vývoj zvierat je primárne riadený vlastným genómom zvieraťa v reakcii na environmentálne faktory, nedávne štúdie ukázali, že vývoj zvierat možno chápať skôr ako zosúladenie medzi zvieratami, prostredím a spoločnou evolúciou. mnohých mikrobiálnych druhov. Príklad tohto spoločného vývoja sa mohol vyskytnúť u cicavcov, ktoré sa vyvinuli endotermicky. Ďalším príkladom je schopnosť udržiavať konštantnú teplotu okolo 40 ° C (100 ° F) metabolickými prostriedkami. To je tiež teplota, pri ktorej bakteriálne partneri cicavcov pracujú s optimálnou účinnosťou, poskytujú cicavcom energiu a znižujú potrebu kŕmenia. Toto zistenie naznačuje, že preferovaná teplota baktérií mohla určovať selekčný tlak na vývoj génov spojených s endotermiou.

Bakteriálna signalizácia

Dôkazy o hlboko zakorenenom spojenectve medzi zvieratami a baktériami sa objavujú aj v genómoch oboch skupín. Vedci odhadujú, že asi 37% z 23 000 ľudských génov má náprotivky napríklad medzi baktériami a druhmi Archaea. Sú príbuzné s génmi, ktoré sa nachádzajú v baktériách aj v druhoch Archaea, ktoré majú spoločného predka.

Mnoho z týchto homológnych génov umožňuje signalizáciu medzi zvieratami a baktériami, čo naznačuje, že boli schopné navzájom komunikovať a ovplyvňovať vývoj toho druhého. Príklad poskytuje Hadfield a objav jeho skupiny, že bakteriálna signalizácia hrá kľúčovú úlohu pri indukcii metamorfózy u niektorých lariev morských bezstavovcov, v ktorých baktérie produkujú signály spojené s určitými faktormi prostredia. Ďalšie štúdie zistili, že bakteriálna signalizácia ovplyvňuje normálny vývoj mozgu u cicavcov, ovplyvňuje reprodukčné správanie stavovcov aj bezstavovcov a aktivuje imunitný systém pri prisatí kliešťa. Čichové chemikálie, ktoré priťahujú určité zvieratá (vrátane ľudí) k svojim potenciálnym kolegom, sú tiež produkované rezidentnými zvieracími baktériami.

Bakteriálna signalizácia nie je nevyhnutná iba pre vývoj. Hrá tiež dôležitú úlohu pri udržiavaní homeostázy u zvierat, pri udržiavaní zdravia a šťastia. Výskum ukázal, že baktérie v čreve môžu komunikovať s mozgom cez centrálny nervový systém. Štúdie zároveň preukázali, že myši, ktoré neobsahujú určité baktérie, majú poruchy v určitých oblastiach mozgu, ktoré kontrolujú úzkostné správanie. Bakteriálna signalizácia hrá tiež kľúčovú úlohu pri ochrane imunitného systému zvieraťa. Narušenie týchto bakteriálnych signálnych dráh môže viesť k chorobám, ako je cukrovka, zápalové ochorenia čriev a infekcie. Štúdie tiež naznačujú, že mnoho patogénov spôsobujúcich choroby u zvierat vlastní tieto bakteriálne komunikačné kanály, ktoré sa pôvodne vyvinuli tak, aby udržiavali rovnováhu medzi zvieraťom a stovkami druhov prospešných baktérií.

Signalizácia sa vyskytuje aj v ekosystémoch v širších sférach. Napríklad baktérie nachádzajúce sa v kvetinovom nektári môžu meniť chemické vlastnosti nektáru a ovplyvňovať interakciu opeľovačov s rastlinami. Dojčatá, ktorých vaginálne pôrody majú odlišné črevné baktérie ako tie, ktoré sa narodili cisárskym rezom, čo môže mať dlhodobé účinky. A baktérie, ktoré sa živia mŕtvymi zvieratami, môžu odpudzovať nekrofágne zvieratá, organizmy, ktorých veľkosť je 10 000-krát väčšia, tým, že vytvárajú škodlivé vône, ktoré spôsobujú, že sa na zvieratách živia nečistoty.

Na úrovni čriev

U prvých zvierat hrali črevné baktérie dôležitú úlohu vo výžive, pretože pomáhali zvieratám tráviť potravu a mohli mať vplyv na vývoj ďalších blízkych orgánových systémov, ako sú dýchacie a urogenitálne systémy. Okrem toho je evolúcia zvierat s najväčšou pravdepodobnosťou zodpovedná za vývoj baktérií, niekedy vo vysoko špecializovaných výklenkoch. Napríklad 90% bakteriálnych druhov v črevách termitov sa nenachádza inde. Takáto špecializácia tiež znamená, že zmiznutie každého živočíšneho druhu vedie k zmiznutiu neznámeho počtu bakteriálnych línií, ktoré sa vyvinuli s týmto druhom.

Vedci tiež zistili, že baktérie v ľudskom čreve sa prispôsobujú zmenám stravovania. Napríklad väčšina Američanov má vo svojich črevách mikrobióm, ktorý je optimalizovaný na trávenie stravy s vysokým obsahom tukov a bielkovín, zatiaľ čo ľudia na vidieku v Amazonas vo Venezuele majú vo vnútri čreva mikróby, ktoré sú vhodnejšie na štiepenie komplexných sacharidov. Niektorí ľudia v Japonsku majú navyše v črevách baktériu, ktorá dokáže tráviť morské riasy. Vedci sa domnievajú, že črevný mikrobióm sa adaptuje dvoma spôsobmi. Na jednej strane pridaním alebo odstránením určitých druhov baktérií a na druhej strane prenosom požadovaných génov z jednej baktérie na druhú prenosom horizontálnych génov. Hostiteľ aj baktéria majú z tohto typu symbiotického vzťahu úžitok. Vedci sa domnievajú, že tento vzťah je oveľa rozšírenejší, ako sa doteraz myslelo.

Prehľad

Celkovo nedávne štúdie preukázali, že zvieratá a baktérie majú históriu, ktorá je vzájomne hlboko prepojená a navzájom si záleží na zachovaní vlastného zdravia a pohody, ako aj životného prostredia, v ktorom žijú. Aj keď sa vedci zameriavajú výlučne na interakcie zvierat a baktérií, očakáva sa, že podobné trendy v spoluzávislosti a symbióze budú univerzálne medzi ostatnými skupinami, ako sú Archaea, huby, rastliny a zvieratá, a medzi nimi. Kedysi sa táto kombinácia považovala za výnimku, stala sa uznávanou pravidlom, ako predpovedal Margulis pred mnohými desaťročiami. Kvôli týmto symbiotickým vzťahom vedci v tomto prípade navrhujú, aby boli definície organizmu, prostredia, populácie a genómu nejasné a mali by sa revidovať. Napríklad zvieratá možno lepšie považovať za mikrobiálne ekosystémy hostiteľa ako za jednotlivcov.

Hmyz (1 mm), ktorý žije v baldachýne lesa (10 m), ilustruje účinky interakcie medzi zvieraťom a baktériou v niekoľkých rozmeroch. Baktérie (1 mikrometer), ktoré žijú v črevách zvierat (0,1 mm), sú nevyhnutné pre potravu pre hmyz a hmyz často tvorí väčšinu živočíšnej biomasy v lesných korunách. Poďakovanie: Margaret McFall-Ngai a kol. © 2013 PNAS

Vedci navyše predpovedajú, že posledné objavy interakcií medzi zvieratami a baktériami pravdepodobne spôsobia, že bude potrebné, aby biológovia významne zmenili svoj pohľad na základnú podstatu celej biosféry. Spomedzi týchto priemyselných odvetví už prebiehajú rozsiahle výskumné projekty, ako sú napríklad projekt ľudských mikrobiómov a projekt mikrobiálnych aktivít na Zemi, ktorých cieľom je preskúmať širokú škálu baktérií v individuálnych a globálnych systémoch a zistiť, čo stáva sa to, keď sú narušené baktérie.

Nakoniec vedci dúfajú, že výsledky povzbudia interdisciplinárnu spoluprácu medzi vedcami a inžiniermi v rôznych oblastiach pri skúmaní nových mikrobiálnych hraníc. Tvrdia, že tieto objavy by mali priniesť revolúciu v spôsobe výučby biológie na strednej škole i mimo nej, pričom by sa mali viac zamerať na vzťahy medzi baktériami, partnerskými zvieratami a inými formami života.

"Je ťažké zhrnúť 'najdôležitejší záver' odlišný od nutkania biológov študovať zvieratá, od správania k fyziológii a od ekológie k molekulárnej biológii. Nech si myslíte, že študujete akýkoľvek proces, musíte ho hľadať a brať do úvahy. „Zvážte dôležitú úlohu baktérií,“ uviedol Hadfield. „V mnohých prípadoch si to môže vyžadovať vytváranie partnerstiev presahujúcich tradičné hranice výskumu, čo znamená, že zoológovia musia pre rozvoj výskumu spolupracovať s mikrobiológmi, molekulárni biológovia musia spolupracovať s biológmi v celom tele atď. Dôrazne chceme, aby správa „Zvieratá vo svete baktérií“ bola výzvou na zmiznutie starých hraníc medzi katedrami vied o živote (napríklad katedrami zoológie, botaniky, mikrobiológie atď.) Na univerzitách a v spoločnostiach. napríklad Americká spoločnosť pre mikrobiológiu atď.) Boli by sme radi, keby sa správa šírila aj na kurzoch na vysokých školách a univerzitách, od úvodnej biológie po kurzy pre pokročilých v rôznych tematických oblastiach našej práce. . “

Výsledky podľa Hadfielda významne zmenia spôsob, akým vedci v tejto spolupráci budú pokračovať vo svojich vlastných výskumných oblastiach.

„Každý z našich autorov vedie základný výskum v jednej alebo viacerých oblastiach zameraných na interakcie medzi zvieratami a baktériami, o ktorých sa hovorí v tomto dokumente, a som presvedčený, že každý z nich sa bude naďalej zameriavať na svoju vlastnú špecializáciu,“ uviedol. Som si však tiež istý, že interakcie, ktoré sa vyvinuli počas zostavovania a písania príspevku (počnúc našim stretnutím NESCent v októbri 2011, keď sa väčšina z nás stretla prvýkrát), budú mať vplyv na náš vlastný výskum a povedie nás k nadviazaniu novej spolupráce s inými laboratóriami. To sa už v mojom prípade stalo. Nadviazali sme novú spoluprácu so skupinou Dianne Newman zo spoločnosti CalTech, mimoriadnej skupiny bakteriológov, ktorí nám pomáhajú pri podrobnom výskume produkty bakteriálnych génov zodpovedné za vývoj lariev.

Preložil Pavel Ecaterina po predchádzajúcom zamyslení sa nad bakteriálnymi vplyvmi na svet, so súhlasom redaktora.