Ile istnieje na świecie gatunków bakterii? Tego nie wie nikt, chociaż wiele osób próbowało ten problem oszacować. Problemy zaczynają się bardzo wcześnie – bo już przy definicji gatunku. Definicja ta jest niesamowicie rozmyta nawet dla bardzo skomplikowanych organizmów; jedną z wielu, bardzo praktyczną definicją jest ta mówiąca, że dwa osobniki należą do tego samego gatunku, gdy są w stanie sie reprodukować. Ta definicja jednak traci sens, gdy przenosimy się do świata mikro – bakterie nie reprodukują się w taki sam sposób, jak organizmy wielokomórkowe; co więcej, rozmnażanie płciowe i podział komórkowy nie są u nich tym samym procesem. Rozmnażanie płciowe rozumiane jest jako wymiana genów. Jednak bakterie mogą geny wymieniać z zupełnie innymi gatunkami w trakcie procesu nazywanego poziomym transferem genów.
Ogólnie zatem o tym samym gatunku u bakterii można mówić, gdy dwie bakterie są genetycznie niemal identyczne. Do niedawna stosowano porównanie rybosomalnego RNA, które jest u bakterii bardzo konserwatywne (tzn. ma tendencją do opierania się zmianom) i dlatego od dekad stosowane było do określania stopnia pokrewieństwa. Próg 97% identyczności uważano za kryterium należenia do tego samego gatunku. Dzisiaj jednak, gdy coraz tańsze staje się sekwencjonowanie całych genomów, możemy przyglądać się bardziej dokładnie całemu DNA bakterii. Przy takim porównaniu kryterium gatunku to próg 95% tożsamości na poziomie pojedycznych nukleotydów1.
Ileż więc jest tych gatunków? Od wielu lat mikrobiolodzy starają się oszacować tę liczbę; do tej pory jednak bezskutecznie. Liczby wahają się od kilkuset do kilkuset tysięcy2, a co odważniejsi badacze sugerują, że liczba ta może iść nawet w dziesiątki milionów. Kilka lat temu grupa badaczy ze Stanów Zjednoczonych badając bioróżnodność wód morskich znalazła w jednej próbce ponad 5000 różnych taksonów!3
Jednym z największych problemów zaś, gdy przychodzi do badania mikroorganizmów jest to, że bardzo dobrze przebadaliśmy tylko te, które da się hodować w laboratorium. O problemie już kiedyś wspominałem: bardzo łatwo jest założyć, że wszystkie bakterie hoduje się równie łatwo; że wystarczy słoik i dobre medium zawierające składniki odżywcze, a bakcyle będą rosły jak na drożdżach! Nic bardziej mylnego – znakomita większość bakterii nie rośnie na naszych standardowych płytkach agarowych. A jeśli nie możemy ich namnożyć, to ciężko jest je badać: po prostu, za mało jest dostępnego materiału biologicznego na jakiekolwiek testy, zwłaszcza testy genetyczne. Mikrobiolodzy, w typowo pompatyczny dla wielu naukowców sposób, nazywają ten nierozpoznany obszar taksologiczny obejmujący tysiące nieznanych bakteryjnych gatunków „ciemną materią życia”. Bo wiemy, że tam jest, ale nie mamy w nią żadnego wglądu.
To na szczęście zaczęło się niedawno bardzo zmieniać. W ostatnich latach (i mam na myśli dosłownie ostatnie lata) coraz bardziej popularne (bo coraz tańsze i coraz bardziej dostępne) staje się sekwencjonowanie genomów na podstawie materiału z pojedycznej komórki. Takie komórki można na wiele różnych sposobów wyizolować z próbki, a następnie zawarte w nich genomowe DNA namnaża się – tak, że ostateczna próbka zawiera tylko DNA pochodzące od jednej komórki. A następnie tak uzyskany materiał można już zsekwencjonować jedną z dostępnych dzisiaj względnie czułych metod. Te techniki na oścież otworzyły drzwi do badań, w których materiałem startowych jest pojedyczna komórka, takich jak badania na krążących komórkach rakowych (obecnych w krwi komórkach rakowych, które odłączyły się od oryginalnego nowotworu i które są źródłem metastazy)4, badania na gametach5, czy wreszcie badania jednokomórkowych mikroorganizmów, których nie jesteśmy w stanie hodować.
W ciągu zaledwie ostatnich dwóch miesięcy pojawiły się dwie prace opublikowane przez badaczy z Instytutu Craiga Ventera (w Genome Research6 oraz PNAS7). Obie badały próbki pobrane w szpitalach – z próbek wyizolowano bakterie należące do tej dużej grupy bakterii „niehodowalnych”. Prace te nie pokazują niestety wiele ciekawego poza tym, że rzeczywiście udało się zsekwencjonować pełne genomy tych nowych, do tej pory nieopisanych bakterii8. Zaś 10 dni temu Nature spuściło prawdziwą bombę9: opublikowało bowiem pracę opisującą zsekwencjonowanie nie jednego, nie dwóch, nie trzech, ale 201 genomów pochodzących od bakterii i Archaea, które w sumie reprezentują prawie trzydzieści kiepsko do tej pory rozpoznanych gałęzi życia. Próbki, z których pozyskano bakterie, pobrane były z całego szeregu różnych środowisk, począwszy od wody morskiej, poprzez źródło hydrotermalne, osady, aż po bioreaktory.
Uczeni przeanalizowali wszystkie te genomy, porównali je pod kątem pokrewieństwa, a także sprawdzili, czy znajduje się w nich coś zaskakującego. Bo w sumie, biorąc pod uwagę jak niewiele wiemy o mikroorganizmach, a także jak wiele wydaje nam się, że wiemy, byłbym zaskoczony, gdyby nie znaleźli nic nowego czy kontrowersyjnego. I okazało się na przykład, że kodon stop (trójka nukleotydów, która sygnalizuje enzymom odczytującym DNA, gdzie jest koniec kodu dla danego białka) UGA w nowoodkrytej taksonomicznej grupie Gracilibacteria nie jest kodonem stop – zamiast tego koduje aminokwas glicynę. Innym podobnie niespodziwanym odkryciem, było to, że niektóre bakterie stosują do syntezy puryn (substratów w produkcji kwasów nukleinowych) enzymy do tej pory spotykane tylko u Archaea10.
Praca jest bardzo imponująca nie tylko ze względu na rozmach, ale właśnie przez wzgląd na to, jak wiele nowych rzeczy udało się nam dowiedzieć badając zaledwie 200 genomów. Jest w tym też pewna obietnica: że jeśli zbadalibyśmy ich więcej, napotkalibyśmy zapewne morze niesamowitości. A biorąc pod uwagę to, jak daleko posunęło się sekwencjonowanie DNA z pojedynczych komórek w ciągu ostatnich dwóch lat, takie badania staną się tylko łatwiejsze.
Przypisy:
1. 
1. Jacqueline Z-M Chan, Mihail R Halachev, Nicholas J Loman, Chrystala Constantinidou and Mark J Pallen (2012). Defining bacterial species in the genomic era: insights from the genus Acinetobacter BMC Microbiology, 12 : 10.1186/1471-2180-12-302
2. Bess B Ward (2002). How many species of prokaryotes are there? Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 99 (16), 10234-10236 : 10.1073/pnas.162359199
3. Mitchell L Sogin, Hilary G Morrison, Julie A Huber, David Mark Welch, Susan M Huse, Phillip R Neal, Jesus M Arrieta, and, Gerhard J. Herndl (2006). Microbial diversity in the deep sea and the underexplored “rare biosphere” Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103 (32), 12115-12120 : 10.1073/pnas.0605127103
4. Heitzer E, Auer M, Gasch C, Pichler M, Ulz P, Hoffmann EM, Lax S, Waldispuehl-Geigl J, Mauermann O, Lackner C, et al. (2013). Complex tumor genomes inferred from single circulating tumor cells by array-CGH and next-generation sequencing. Cancer research, 73 (10), 2965-75 PMID: 23471846
5. Kirkness EF, Grindberg RV, Yee-Greenbaum J, Marshall CR, Scherer SW, Lasken RS, Venter JC (2013). Sequencing of isolated sperm cells for direct haplotyping of a human genome Genome Research, 23 (5), 826-832 DOI: 10.1101/gr.144600.112
6. McLean JS, Lombardo MJ, Ziegler MG, Novotny M, Yee-Greenbaum J, Badger JH, Tesler G, Nurk S, Lesin V, Brami D, et al. (2013). Genome of the pathogen Porphyromonas gingivalis recovered from a biofilm in a hospital sink using a high-throughput single-cell genomics platform Genome Research, 23 (5), 867-877 DOI: 10.1101/gr.150433.112
7. McLean JS, Lombardo MJ, Badger JH, Edlund A, Novotny M, Yee-Greenbaum J, Vyahhi N, Hall AP, Yang Y, Dupont CL, et al. (2013). Candidate phylum TM6 genome recovered from a hospital sink biofilm provides genomic insights into this uncultivated phylum Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110 (26) DOI: 10.1073/pnas.1219809110
8. Czegoś tam się o nich jednak dowiadujemy – na przykład tego, z jakimi innymi bakteriami są najbliżej spokrewnione. A tego typu informacje mogą mieć olbrzymie znaczenie z epidemiologicznego punktu widzenia, chociaż prawdę powiedziawszy na obecną chwilę tańszą i szybszą metodą do badań epidemiologicznych jest wciąż sekwencjonowanie 16S rRNA.
9. Rinke C, Schwientek P, Sczyrba A, Ivanova NN, Anderson IJ, Cheng JF, Darling A, Malfatti S, Swan BK, Gies EA, et al. (2013). Insights into the phylogeny and coding potential of microbial dark matter Nature, Jul 14 DOI: 10.1038/nature12352
10. Tu muszę dodać dla niewtajemniczonych, że chociaż zarówno bakterie jak i Archaea należą do grupy prokariontów, to jednak biologicznie różnią się znacznie. Z naszego spaczonego wielokomórkowego punktu widzenia może to być jednak czasem ciężko dostrzec.
nic prostszego 