Co w pępku piszczy

Kilka dni temu grupa amerykańskich badaczy opublikowała w piśmie PLoS ONE pracę opisującą… zawartość naszych pępków. A ściślej – ilość i rodzaj bakterii w nim bytujących oraz ich zróżnicowanie pomiędzy różnymi ludźmi.

Zanim powiem więcej na temat pracy chciałbym w dwóch słowach wyjaśnić, w jaki sposób robi się takie badania – podobny przykład opisywałem jakieś trzy miesiące temu, gdy opowiadałem o publikacja Roba Knighta na temat rodzaju bakterii obecnych w łazienkach publicznych. Wówczas enigmatycznie tylko wspomniałem, że wyizolowane DNA próbek zsekwencjonowano. Tutaj chciałbym słów kilka napisać o tym, skąd się wzięło, czym jest i do czego służy sekwencjonowanie 16S rDNA.

Najpierw wyjaśnijmy zatem, czym jest 16S rDNA. Zapewne większość obytych Czytaczek i dociekliwych Czytaczy zdaje sobie doskonale sprawę z tego, że w komórkach naszych – i wszelkich innych organizmów – występuje wiele rodzajów kwasu rybonukleinowego, RNA. Podczas gdy kwas deoksyrybonukleinowy, DNA, służy głównie do magazynowania informacji genetycznej, RNA służy jako funkcjonalny przedstawiciel DNA. I tak na przykład matrycowy RNA, mRNA, to pośrednik transportujący informację o sekwencji białka z DNA do rybosomów – komórkowym maszyn odpowiedzialnych za syntezę białek (za badania nad którymi, nawiasem mówiąc, przyznana została Nagroda Nobla z chemii w 2009 roku). Transportujący RNA, tRNA, to śmieszna cząsteczka w kształcie krzyża, której główną rolą jest dostarczanie do rybosomów aminokwasów – i dopilnowanie, że właściwy aminokwas trafi we właściwe miejsce w syntetyzowanym białku. Trzeci najbardziej znany rodzaj RNA (ale jest ich znacznie, znacznie więcej) to rybosomalny RNA, rRNA. rRNA jest integralną częścią rybosomu, wraz z olbrzymim kompleksem blisko 100 białek. Jego oddziaływanie z mRNA i tRNA jest kluczowym aspektem syntezy białek.

Mała podjednostka 30S prokariotycznego rybosomu. /źródło: domena publiczna

Rybosomy zbudowane są z dwóch jednostek. Każda taka jednostka zawiera kilkanaście do kilkudziesięciu białek oraz kwas rybonukleinowy. Wielkość tych kompleksów określa się poprzez podanie jednostek Svedberga (S) – miara ta służy do określenia jak szybko cząsteczki zawieszone w roztworze ulegają sedymentacji. Ta właściwość z kolei, pośrednio, odpowiada ich rozmiarowi. Rybosomy organizmów eukariotycznych zbudowane są z dużej jednostki 60S i małej 40S. Organizmy prokariotyczne – czyli także bakterie – mają rybosomalne jednostki o rozmiarze 50S i 30S. Mała jednostka 30S zbudowane jest znowuż z kilku kolejnych mniejszych kompleksów. Jednym z nich jest zaś 16S. 16S rRNA to po prostu RNA związane w tym fragmencie rybosomu. 16S rDNA to gen kodujący to RNA.

I tu dochodzimy powoli do sedna sprawy. Chociaż filogenetyczne pokrewieństwo organizmów eukariotycznych jest względnie łatwe do określenia poprzez porównanie sekwencji pewnych konserwatywnych białek (pod koniec lat 70. stosowano do tego cytochrom c), to w przypadku bakterii i Archaea nie jest to takie łatwe. Dlatego na przełomie lat 70. i 80. wielu naukowców próbowało opracować metodę na określenie pokrewieństwa różnych bakteryjnych gatunków. I w 1980 roku duża międzynarodowa grupa badaczy opublikowała pracę w tygodniku Science, w której położyła podwaliny rozpoznawania filogenetycznych relacji pomiędzy prokariontami na podstawie sekwencji 16S rRNA/DNA.

16S rRNA było świadomym wyborem. Jest to bardzo konserwatywna (niezmienna) sekwencja RNA – ponieważ pełni absolutnie krytyczną rolę w rozwoju wszystkich organizmów, nie mogą sobie one pozwolić na mieszanie w niej w zbyt dużym stopniu. Ponadto znajduje się we wszystkich prokariontach z prostej przyczyny – bez 16S rRNA nie ma rybosomów, bez rybosomów nie ma białek, bez białek nie ma prokariontów. Sukcesywne porównywanie sekwencji tego rRNA pomiędzy różnymi gatunkami doprowadziło badaczy do wyróżnienia 8 filogenetycznie oddzielnych grup w obrębie bakterii i archebakterii. Autorzy tej publikacji doskonale rozumieli znaczenie swojej pracy. We wnioskach podkreślili:

„Konsekwencje [tego] filogenetycznego drzewa prokariontów sięgają znacznie dalej niż tylko ich systematyczna klasyfikacja. To filogenetyczne drzewo pozwoli nam zrozumieć wczesne wydarzenia w historii komórkowej ewolucji.”

Mieli oczywiście rację, co do znaczenia metody do badań nad ewolucją w świecie organizmów prokariotycznych – metoda wykorzystująca sekwencjonowanie 16S rRNA (lub DNA – to w zasadzie na jedno wychodzi) była do takich badań wykorzystywana z powodzeniem przez kolejne 30 lat. Co więcej, dzisiaj ta technika pozwala nie tylko określić przynależność bakterii czy archebakterii do określonej rodziny, czy rodzaju, ale wręcz – do dokładnej identyfikacji gatunku, a nawet szczepu! Adwent nowych technik służących do sekwencjonowania – tańszych, szybszych i bardziej wydajnych – oznacza zaś, że wykorzystać można z powodzeniem tę metodę do badań sprawdzających po prostu jakie bakterie bytują na spłuczce, a jakie na łazienkowym kranie. Bardziej zaś zuchwali badacze mogą chcieć nią zbadać ludzki mikrobiom – w jelitach, w buzi, a nawet w pępku.

Powróciliśmy więc do tematu obecnego odcinka: opublikowanej kilka dni temu pracy na temat flory bakteryjnej pępka. Praca jest obrazowo zatytułowana: “A Jungle in There: Bacteria in Belly Buttons are Highly Diverse, but Predictable”, co przypomniało mi znaną zapewne niektórym z Was piosenkę:

[audio http://www.eviltwinltd.com/Monk/sounds/monktheme.mp3]

Do badań zebrano próbki bakterii z pępków pięciuset ochotników. W publikacji skupiono się zaś na dwóch podgrupach (próbki od 60 osób): na bakteriach zebranych od uczestników spotkania popularyzatorów nauki ScienceOnline 2011 oraz uczestników Dnia Darwina w Muzeum Nauk Przyrodniczych w Raleigh. Pobrane próbki przetestowano, stosując sekwencjonowanie 16S rDNA, a następnie przeanalizowano pod kątem częstości i ilości pewnym rodzajów bakterii. Wśród 60 przeanalizowanych na potrzeby pracy próbek wykryto 2368 bakteryjnych filotypów. Prawdziwa liczba bakteryjnych gatunków obecnych w próbkach jest prawdopodobnie jednak znacznie większa – niewątpliwie gatunki występujące w mniejszej ilości mogły umknąć niezauważone. Z tych 2368 filotypów 2188 – czyli znakomita większość – występuje w mniej niż 10% indywidualnych próbek, najczęściej zaś w pojedynczych próbkach. Co oznacza, że większość pępkowych bakterii ma charakter indywidualny, osobniczy.

Następnie uczeni przeanalizowali rodzaj bakterii znalezionych w pępkach. Bez niespodzianki, większość bakterii to typowe bakterie skórne – Staphylococci, Corynebacteria czy Actinobacteria. Jedyną typowo skórną bakterią, której nie znaleziono w próbkach była Klebsiella. Dość interesujące za to było odkrycie trzech filotypów archebakterii. Archebakterie znane są ze swej tendencji do bytowania w środowiskach ekstremalnych – w temperaturach, w których wydawałoby się nic nie może przeżyć; w źródłach zasolonych tak, że życie nie ma prawa w nich egzystować, w głębinach morskich, gdzie ciśnienie jest tak wielkie, że trudno wyobrazić sobie tam jakiekolwiek życie. Nie znaleziono ich natomiast u ludzi. Aż do teraz.

Klebsiella – jedna typowo skórna bakteria, której obecności w pępkach nie udało się wykryć.

Chociaż wykryto tak wiele różnych filotypów, które w dodatku nie były powszechne (w tym sensie, że nie występowały u wszystkich badanych, ale każdy z nich tylko u pewnej liczby uczestników), okazało się, że już częstotliwość ich występowania jest znacznie łatwiejsza do przewidzenia. Autorzy porównali częstość występowania poszczególnych filotypów pomiędzy uczestnikami ScienceOnline, a uczestnikami Dnia Darwina i odkryli, że występuje tu pewna prawidłowość. Co prawda więc nie można przewidzieć, jakie bakterie będą występowały w naszych pępkach, ale można przewidzieć, z jaką częstością każdy z nich pojawiać się będzie w określonej grupie ludzi.

Problemem badań tego typu jest niestety to, że brak w nich porywających wniosków. Zbadanie mikrobiomu pępka brzmi rewelacyjnie, ale naukowo wiele nie wnosi. Wykryto głównie, że w pępku gnieżdżą się bakterie skóry – czego należało się spodziewać. Wykryto także, że ten pępkowy mikrokosmos jest bardzo różny dla poszczególnych osób – ale o tym także wiedzieliśmy już z wcześniejszych przykładów podobnych badań na przykład flory bakteryjnej jelit itp. Wykryto trzy filotypy archebakterii – obserwacja bardzo ciekawa, ale niestety nie analizowania dalej, co zmusza do zastanowienia, czy wynik nie jest przypadkiem doświadczalnym artefaktem. Innymi słowy, praca – chociaż jest cudownym wstępem do pępkonomiki, jest jednak tylko pracę wstępną. Na kolejne, które o pępkowych bakteriach powiedzą nam więcej, będziemy jeszcze musieli poczekać.

Fox, G., Stackebrandt, E., Hespell, R., Gibson, J., Maniloff, J., Dyer, T., Wolfe, R., Balch, W., Tanner, R., Magrum, L., Zablen, L., Blakemore, R., Gupta, R., Bonen, L., Lewis, B., Stahl, D., Luehrsen, K., Chen, K., & Woese, C. (1980). The phylogeny of prokaryotes Science, 209 (4455), 457-463 DOI: 10.1126/science.6771870

Hulcr, J., Latimer, A., Henley, J., Rountree, N., Fierer, N., Lucky, A., Lowman, M., & Dunn, R. (2012). A Jungle in There: Bacteria in Belly Buttons are Highly Diverse, but Predictable PLoS ONE, 7 (11) DOI: 10.1371/journal.pone.0047712