6 Minutės
Senoviniai mikrobai, išsaugoti mamutų liekanose
Tarptautinė komanda, vadovaujama Palaeogenetikos centro (Centre for Palaeogenetics), atrinko mikrobų DNR iš vilninių ir stepinių mamutų liekanų, kurių amžius siekia daugiau nei milijoną metų. Darbas — publikuotas žurnale Cell — yra vienas iš seniausių iki šiol autentifikuotų su šeimininku susijusių mikrobų DNR pavyzdžių ir atveria naują langą į ilgalaikius Pleistoceno megafaunos ir jų mikrobinių bendruomenių sąveikos aspektus. Tyrėjai išanalizavo 483 mamutų egzempliorius, tarp jų 440, kurie anksčiau nebuvo sekvenuoti, ir panaudojo pažangius genomikos bei bioinformatikos įrankius, kad atskirtų mikrobus, gyvenusius su mamutais, nuo tų, kurie kolonizavo liekanas po mirties.
Metodai: autentiškų mikrobinio signalo patvirtinimas iš gilios praeities
Komanda derino didelio pralaidumo sekvenavimą, žalos tendencijų analizę ir griežtą užteršimo kontrolę, kad atskirtų senovinius, su šeimininku susijusius mikrobų signalus nuo šiuolaikinių aplinkos užteršimų. Mėginiai apėmė dantis, iltis ir kaulų fragmentus iš įvairių geografinių regionų ir laikotarpių, o vienas ypač reikšmingas pavyzdys buvo stepinio mamuto egzempliorius, datuotas maždaug 1,1 mln. metų. Laboratoriniai darbai vyko pagal griežtas senovinio DNR protokolų gaires: specialios švaros patalpos, neigiami kontroliniai mėginiai ir bioinformatikos filtrai, nustatantys charakteringus fragmentacijos ir citozino į timiną konversijų modelius, rodančius degradavusį senovinį DNR.
Bioinformatikos metodai taip pat padėjo suskirstyti DNR sekas į grupes, greičiausiai kilusias iš gyvos kiekvieno gyvūno mikrobiomos, ir į tas, kurios atsirado po palaidojimo. Šis skirtumas remiasi nuosekliais taksonominiais modeliais tarp individų, išsaugojimo žymėmis ir lyginimais su šiuolaikiniais giminaičiais. Derindami šiuos įrodymų sluoksnius, tyrėjai sugebėjo rekonstruoti dalines mikrobinio genomo dalis ir nustatyti, kad kai kurios linijos išliko su mamutais šimtų tūkstančių metų laikotarpiu.
Pagrindiniai atradimai: ilgalaikės mikrobinės linijos ir galimi patogenai
Tyrimų duomenų rinkinyje autoriai identifikavo šešias mikrobines klades, nuosekliai siejusias su mamutų liekanomis. Tai apima artimus Actinobacillus, Pasteurella, Streptococcus ir Erysipelothrix giminės atstovus — gentis, kurių šiandien kai kuriuos atstovus sudaro tiek nepavojingi komensalai, tiek patogeninės atmainos. Vienas Pasteurella tipo bakterijos radinys yra glaudžiai susijęs su patogenu, sukėlusiu mirtinas protrūkius šiuolaikiniuose Afrikos drambliuose, kas kelia prielaidą, jog mamutai galėjo būti jautrūs panašioms infekcijoms.
Ypatingas pasiekimas — tyrėjai rekonstruotė Erysipelothrix genomo dalis iš maždaug 1,1 mln. metų seno stepinio mamuto. Tai yra seniausia autentifikuota su šeimininku susijusi mikrobų DNR iki šiol atkurta medžiaga ir įrodo, kad palankiomis sąlygomis mikrobiniai genomai gali išlikti gerokai ilgiau nei pats šeimininko genomas. Šis radinys plečia laiko ribas, kuriomis galima tirti senovinius šeimininko ir mikrobų ryšius bei patogeninę ekologiją.
Mokslinis kontekstas ir pasekmės
Su šeimininku susiję mikrobai evoliucionuoja sparčiau nei jų didieji daugiadugniai šeimininkai; todėl jų genomų atkūrimas iš gilios praeities suteikia galimybę tirti mikrobų evoliuciją ir šeimininko–patogeno dinamika evoliuciniu mastu. Rezultatai rodo, kad tam tikros mikrobų linijos egzistavo kartu su mamutais plačiame geografiniame diapazone ir ilgais laikotarpiais — nuo daugiau nei milijono metų iki vilninių mamutų vėlyvosios išlikimo fazės Wrangelio saloje maždaug prieš 4 000 metų.
Tyrimo vyresnysis autorius Tom van der Valk pabrėžia, kad senovinės liekanos gali išsaugoti biologinę informaciją ne tik apie šeimininko genomą ir kad šios mikrobų įrašų eilutės suteikia naują perspektyvą, kaip mikrobai veikė prisitaikymą, ligas ir išnykimą Pleistoceno ekosistemose. Tuo pat metu autoriai įspėja, kad DNR degradacija, su skaidymu susiję šališkumai ir ribotos lyginamųjų duomenų bazės apsunkina tikslaus mikrobų poveikio mamutų sveikatai nustatymą su visišku pasitikėjimu.
Apribojimai ir atsargumas
Senovinio mikrobinio DNR tyrimai susiduria su specifiniais iššūkiais: mikrobinė DNR yra trumpesnė ir labiau linkusi į užteršimą nei stuburinių DNR, šiuolaikiniai giminaičiai dažnai yra prastai atstovaujami referencinėse duomenų bazėse, o tafonominiai procesai gali į fossilijas įnešti aplinkos mikroorganizmų. Tyrėjai taiko kelis autentifikacijos kriterijus, kad sumažintų šias problemas, tačiau tolimesnis darbas — ypač referencinių laukinės gamtos mikrobų genomų plėtra — sustiprins interpretacijas.
Technologijos ir ateities perspektyvos
Sekvenavimo technologijų, metagenominio surinkimo ir mašininio mokymosi klasifikacijos pažanga buvo esminė šio tyrimo sėkmei. Plintant mikrobinio genomo referencinėms duomenų bazėms ir tobulėjant skaičiavimo metodams, paleomikrobiologija galės geriau rekonstruoti senovines mikrobines bendruomenes, apskaičiuoti evoliucijos tempus ir identifikuoti genus, susijusius su patogeniškumu ar šeimininko specifiškumu. Bet koks bandymas sintetinti ar funkcionaliai charakterizuoti senovinius mikrobus lydės etiniai ir praktiniai svarstymai; pagrindinė šių atradimų vertė yra evoliucijos, ekologijos ir ligų dinamikos supratimas, o ne reinkarnacija ar išnykusių rūšių sugrąžinimas.
Pritaikymas už paleontologijos ribų
Senovinių mikrobų rekonstravimas informuoja šiandieninę gamtosaugos biologiją, aiškindamas istorinius šeimininko mikrobiomos pagrindus ir atskleisdamas patogenų evoliuciją artimų išnykusių rūšių — pavyzdžiui, Afrikos ir Azijos dramblių — giminaičiuose. Įžvalgos apie praeities šeimininko–patogeno sąveikas gali padėti veterinarijos ir laukinės faunos sveikatos specialistams įvertinti ilgalaikes ligų dinamikas ir galimas rizikas nykstančioms rūšims.
Ekspertės įžvalga
Dr. Elena Rossi, hipotetinė evoliucinė mikrobiologė iš Senovinių genomų instituto (Institute for Ancient Genomics), komentuoja: "Senovinės DNR, vyraujančios daugiau nei milijono metų, atkūrimas yra techninis ir konceptualinis lūžis. Tai keičia klausimus, kuriuos galime kelti apie koevoliuciją — nuo fragmentinių įrašų prie laiko eilučių, kurios atskleidžia, kaip mikrobų bendruomenės keitėsi kartu su šeimininkų prisitaikymais prie kintančio klimato ir kraštovaizdžio. Šis darbas taip pat pabrėžia poreikį turtingesnėms mikrobinėms referencinėms duomenų bazėms, kad senoviniai signalai būtų interpretuojami tiksliau."
Ateities kryptys
Tolimesni žingsniai apims tikslinį kandidatinių patogenų genomo praturtinimą, platesnį megafaunos liekanų geografinį mėginių parinkimą ir lyginamuosius tyrimus su gyvais drambliais bei kitais proboscideanais. Tyrėjai taip pat sieks patobulinti metodus degradavusių mikrobinų genomų autentifikacijai ir surinkimui bei susieti konkrečius mikrobinus genus su ypatybėmis, tokiomis kaip atsparumas antibiotikams ar patogeniškumas. Tarpdisciplininės partnerystės — jungiant paleogenomiką, mikrobiologiją, ekologiją ir veterinariją — bus būtinos, kad būtų pilnai išnaudotos gilaus laiko mikrobiomos tyrimų galimybės.
Išvada
Mikrobų DNR atkūrimas iš mamutų liekanų, kurių amžius viršija milijoną metų, įrodo, kad fosilinė medžiaga gali išsaugoti mikrobus, gyvenusius su išnykusiais gyvūnais. Išlikusių mikrobinų kladų identifikavimas — įskaitant galimus patogenus — suteikia unikalią galimybę stebėti šeimininko ir mikrobų koevoliuciją Pleistocene ir atveria naujas kryptis ligų, prisitaikymo ir išnykimo tyrimams. Nors techniniai ir interpretaciniai iššūkiai išlieka, šis tyrimas žymi reikšmingą pažangą paleomikrobiologijoje ir praplečia mūsų supratimą, kaip mikrobai formavo gyvybės istoriją Žemėje.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai