batrachospermum (batrachospermum) wrote,
batrachospermum
batrachospermum

Category:

Микробья таксономия: все сложно

Когда микробиологи только начали изучать разнообразие микробов в XIX веке, они действовали так же, как ботаники и зоологи: описывали микроб, основываясь на его внешнем облике, питании и других чертах, которые можно было изучить в лаборатории. Если бактерия отличалась от другой, которую они уже знали, то давали ей новое имя, например Escherichia coli. Встретив какую-либо бактерию, скажем, в крови больного пациента, можно было изучить ее характеристики и идентифицировать – как орнитологи определяют птиц по оперению и вокализации.


Иллюстрация: Jane Hurd / National Geographic

Во второй половине 1990-х микробиологи стали отказываться от такого способа идентификации, потому что появился анализ ДНК. Зоологи с ботаниками тоже его стали применять, но микробиологов новая картина мира шокировала куда больше: разнообразие микробов оказалось умопомрачительно огромным! Бактерии, которых ранее считали почти идентичными, отличались друг от друга сильнее, чем птица киви от фрукта киви. Например, вид E. coli оказался скоплением разнообразных бактерий – от полезных, которые могут наладить пищеварение у ребенка, до всяких патогенов, которые заставляют наши клетки извергать из себя внутреннее содержимое или сами злодейски проскальзывают внутрь их, будто червячки какие.

Еще больше усложнило дело открытие беспрестанного обмена генами без всякого уважения к т. н. межвидовым барьерам. Бактерии могут менять свою форму, менять метаболизм, да вообще становиться совсем другими, при случае возвращаясь в себя обратно! Ученые пытаются изобразить взаимосвязи между прокариотами в виде сети жизни, а не древа. Все попытки применить к микроорганизмам классическое понятие «биологического вида» оказываются тщетными, термин просто не работает в их случае. Теоретически любой микроб, подхватив мутацию, становится отличным от других микробов и может именоваться отдельным видом, а когда он эту мутацию передает другому, дальнородственному микробу, все это ваше древо жизни коллапсирует к собачьим чертям. Ситуация настолько аховая, что некоторые микробиологи предлагают вообще отказаться от «видов» у прокариот (Doolittle, 2012). Тем не менее потребность измерить разнообразие микробных сообществ все равно имеется, и если не виды, то что-то видообразное точно требуется.


Streptococcus mitis. Источник: Public Health Image Library

С приходом в таксономию ДНК опорной точкой был выбран важный ген 16S rRNA – можно было прочитать его, сравнить последовательности и по количеству отличий установить, как давно сравниваемые виды разошлись эволюционно. Этот ген отлично служил науке: и не слишком длинный (все-таки его надо целиком прочитать), и не слишком короткий (а то различие пропустишь), и встречается у всех, потому что участвует в синтезе абсолютно всех белков. Сравнив вариации 16S rRNA у индивидуальных микробов, принадлежащих одному виду в традиционном его понимании, ученые выявили изменчивость до 3% и постановили, что если микроорганизмы на 97% идентичны по данному гену, то относятся к одной группе (Stackebrandt & Goebel, 1994). Вместо «видов» было решено называть эту группу «оперативной таксономической единицей» (OTU).

Но вдруг выяснилось, что барьер в 97% не подходит. Взять, к примеру, два вида бактерий, живущих в нашем организме: Streptococcus pneumoniae и Streptococcus mitis. В варварские догенетические времена микробиологи определили их в разные виды, и наивных ученых можно понять, если посмотреть на образ жизни этих бактерий: в то время как S. mitis мирно живет на зубах и не тревожит нас своими поползновениями, S. pneumoniae вызывает пневмонию, менингит и другие неприятные заболевания. Но их сходство в 99% по гену 16S rRNA заставляет задуматься. Вместе с тем по некоторым другим генам они достаточно отличны.

В свете этих запутанных событий микробиологи нуждаются в более эффективном способе классификации. Но тут они сталкиваются с несовершенством методики секвенирования: даже лучшие ДНК-секвенсоры не совершенны и то и дело ошибаются при чтении генов. Если установлен порог сходства в 97%, эти маленькие оплошки не играют особой роли, но если требуется выявить совсем крошечные различия – ошибки могут привести к неправильным выводам о родстве.


Олиготипирование микробиоты ротовой полости. Источник: Olygotyping.org

Ранее в этом году был предложен новый способ классифицировать микробы – олиготипирование. В школе нас такому не учили! Он опирается на то, что чаще всего мутации происходят в конкретных последовательностях внутри гена. Например, длина гена 16S rRNA у бактерий примерно 1600 пар нуклеотидов, а одного «расположенного к мутациям» локуса – всего 250. И если сравнивать только эти участки, то различия станут гораздо более заметными, к тому же скорость анализа повышается. А зависимость от ошибок – случайных мутаций, возникающих с гораздо меньшей частотой в других частях гена, – снижается. Отделить значимую информацию от шума позволяет статистическая обработка, основанная на вычислении энтропии Шеннона. По результатам такого анализа выявляются группы микробов, которые названы олиготипами.

Впервые олиготипирование было применено для определения микробиоты человеческого рта (Eren et al., 2014). Ученые сравнили примерно 10 тысяч бактерий, живущих во рту у разных людей, и обнаружили по крайней мере 362 олиготипа. Большинство из них оказались тождественны традиционным видам, но многие т. н. виды состоят из нескольких отличающихся олиготипов. Среда обитания на зубе очень непохожа на язык или десны, и каждый из олиготипов занимает свою экологическую нишу – одну и ту же во ртах у разных людей.

Определение биоразнообразия ротовой микрофлоры очень важно: некоторые живущие во рту бактерии могут доставить людям неприятности, причем не только во рту, но и в других частях тела. Пользуясь старомодными способами классификации, ученые могут проглядеть патогенные бактерии, похожие на безвредные. И конечно, всякие полезные инновации в классификации микроорганизмов чрезвычайно важны, если вспомнить, что прокариоты, вирусы и прочие формы жизни с их высокой скоростью мутаций – просто цари генетического разнообразия на Земле.

По материалам: National Geographic
Tags: микробы
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 1 comment