Микробная темная материя
Микробная темная материя [1] [2] (MDM) включает подавляющее большинство микробных организмов (обычно бактерий и архей ), которые микробиологи не могут культивировать в лаборатории из-за отсутствия знаний или способности обеспечить необходимые условия роста. Микробная темная материя аналогична темной материи физики и космологии из-за ее неуловимости для исследований и важности для нашего понимания биологического разнообразия. Микробную темную материю можно обнаружить повсеместно и в изобилии во многих экосистемах, но ее по-прежнему трудно изучать из-за трудностей с обнаружением и культивированием этих видов, что создает проблемы для исследовательских усилий. [3] Трудно оценить его относительную величину, но общепринятая общая оценка состоит в том, что всего лишь один процент видов микробов в данной экологической нише пригоден для культивирования. В последние годы больше усилий было направлено на расшифровку микробной темной материи посредством восстановления последовательностей геномной ДНК из образцов окружающей среды с помощью независимых от культуры методов, таких как геномика одиночных клеток. [4] и метагеномика . [5] Эти исследования позволили лучше понять историю эволюции и метаболизм секвенированных геномов. [6] [7] предоставляя ценные знания, необходимые для выращивания микробных линий темной материи. Однако исследования микробной темной материи остаются сравнительно неразвитыми и, как предполагается, позволят получить представление о процессах, радикально отличающихся от известных биологических, новое понимание микробных сообществ и растущее понимание того, как жизнь выживает в экстремальных условиях. [8]
История термина
[ редактировать ]Наше современное понимание микробной темной материи зародилось в области, которая все еще сталкивалась с ограничениями, связанными с выращиванием традиционных микробов. Одним из основных ограничений того времени была чрезмерная зависимость от использования методов культивирования. Такая чрезмерная уверенность означала, что большое количество микробного разнообразия еще предстоит открыть. Однако в конце 20-го века новые разработки в области молекулярных методов привели к всплеску открытий некультивируемых микробов. Несмотря на это вновь обретенное разнообразие, подавляющее большинство видов микробов остаются неохарактеризованными. [9] Этот факт был дополнительно подтвержден развитием передовых методов геномного секвенирования в начале 21 века, которые открыли большее разнообразие микробов, чем считалось ранее. [8]
Методы изучения микробной темной материи
[ редактировать ]Метагеномика
[ редактировать ]Метагеномика — это метод в области микробных исследований, который позволяет нам секвенировать ДНК непосредственно из образцов микробной среды. Этот инновационный метод позволяет нам идентифицировать генетический материал неизвестных микробов и избежать чрезмерной зависимости от использования культивирования. Использование метагеномики отличается от других микробиологических методов тем, что оно использует широкое описание за счет использования объемных образцов. Этот метод расширил наше понимание функций микробов в экосистемах благодаря открытию новых генов и метаболических путей. [10]
Одноклеточная геномика
[ редактировать ]Методы геномики одиночных клеток показали себя многообещающими в поддержке подходов метагеномики, позволяя изучать отдельные микробные клетки, изолированные из их естественной среды, метод, который использовался для выявления геномного и функционального разнообразия в микробных сообществах, особенно тех, которые невозможно культивировать. . Методы одноклеточных исследований также успешно выявили множество новых ветвей на древе жизни, что дает представление о пробелах в современном филогенетическом понимании и метаболическом потенциале этих организмов. [11]
Улучшенные методы культивирования
[ редактировать ]Несмотря на появление независимых от культуры методов как успешных методов исследования темной материи, улучшения в методах культивирования остаются актуальными и необходимыми для дальнейшего понимания микробов MRM. К этому моменту разработки в таких методах, как использование высокоспецифичных питательных сред для имитации естественной микробной среды и совместное культивирование синергических видов микробов, показали успех в изучении ранее некультивируемых микробов. Эти достижения также способствуют применению исследований MRM в биотехнологических и физиологических целях. [12]
Вычислительные инструменты
[ редактировать ]Геномные исследования дают огромные объемы данных для анализа. Этот анализ требует использования передовых вычислительных компонентов. Научная дисциплина биоинформатика использовала вычислительные технологии для сбора геномов и проведения анализа метаболических путей. В последние годы исследования в области искусственного интеллекта и машинного обучения открыли новые способы повышения нашей способности прогнозировать поведение видов микробов, используя их генетические данные. [13] Эти новые разработки в мире вычислительных инструментов позволили нам лучше понять структуру и динамику микробных сообществ.
Микробы с весьма необычной ДНК
[ редактировать ]Было высказано предположение, что определенный микробный генетический материал темной материи может принадлежать к новой (т.е. четвертой) области жизни, [14] [15] хотя возможны и другие объяснения (например, вирусное происхождение), что связано с вопросом о гипотетической теневой биосфере . [16]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Файли, Дж.; Тетарт, Ф.; Саттл, Калифорния; Криш, Х.М. (2005). «Морские бактериофаги типа Т4, вездесущий компонент темной материи биосферы» . Труды Национальной академии наук . 102 (35): 12471–12476. Бибкод : 2005PNAS..10212471F . дои : 10.1073/pnas.0503404102 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 1194919 . ПМИД 16116082 .
- ^ Университет Теннесси в Ноксвилле (25 сентября 2018 г.). «Исследование: микробная темная материя доминирует в окружающей среде Земли» . Эврикалерт! (Пресс-релиз) . Проверено 26 сентября 2018 г.
- ^ Дормини, Брюс. «Микробная «темная материя» все еще ускользает от земных астробиологов» . Форбс . Проверено 6 мая 2024 г.
- ^ Ринке, Кристиан (2018). «Одноклеточная геномика микробной темной материи». У Роберта Г. Бейко; Уилл Сяо; Джон Паркинсон (ред.). Анализ микробиома: методы и протоколы . Методы молекулярной биологии. Том. 1849. Нью-Йорк: Спрингер Нью-Йорк. стр. 99–111. дои : 10.1007/978-1-4939-8728-3_7 . ISBN 978-1-4939-8728-3 . ПМИД 30298250 .
- ^ Цзяо, Цзянь-Ю; Лю, Лан; Хуа, Чжэн-Шуан; Фанг, Бао-Чжу; Чжоу, Энь-Мин; Салам, Нимаичанд; Хедлунд, Брайан П.; Ли, Вэнь-Цзюнь (01 марта 2021 г.). «Микробная темная материя выходит на свет: проблемы и возможности» . Национальный научный обзор . 8 (3): –280. дои : 10.1093/nsr/nwaa280 . ISSN 2095-5138 . ПМЦ 8288357 . ПМИД 34691599 .
- ^ Хедлунд, Брайан П.; Додсворт, Джереми А.; Муругапиран, Сентил К.; Ринке, Кристиан; Войке, Таня (2014). «Влияние геномики и метагеномики одиночных клеток на формирующийся взгляд на экстремофильную «микробную темную материю» ». Экстремофилы . 18 (5): 865–875. дои : 10.1007/s00792-014-0664-7 . ISSN 1431-0651 . ПМИД 25113821 . S2CID 16888890 .
- ^ Ринке, Кристиан; и др. (2013). «Понимание филогении и кодирующего потенциала микробной темной материи» . Природа . 499 (7459): 431–437. Бибкод : 2013Natur.499..431R . дои : 10.1038/nature12352 . hdl : 10453/27467 . ПМИД 23851394 . S2CID 4394530 .
- ^ Jump up to: а б Бернар Г., Патманатан Дж., Ланн Р., Лопес П. и Баптест Э. (2018). Микробные исследования темной материи: как микробные исследования трансформируют биологические знания и эмпирически очерчивают логику научных открытий. Геномная биология и эволюция , 10 . https://doi.org/10.1093/gbe/evy031
- ^ Аманн, Р.И., Людвиг, В., и Шляйфер, К.Х. (1995). Филогенетическая идентификация и обнаружение in situ отдельных микробных клеток без культивирования. Микробиологические обзоры, 59 (1), 143–169.
- ^ Айва, К. и др. (2017). Метагеномика дробовика: от отбора проб до анализа. Природная биотехнология, 35 (9), 833-844. https://doi.org/10.1038/nbt.3935
- ^ Степанаускас, Р. (2012). Геномика одиночных клеток: индивидуальный взгляд на микробы. Текущее мнение по микробиологии, 15 (5), 613–620. https://doi.org/10.1016/j.mib.2012.09.001
- ^ Зенглер, К. и др. (2002). Культивирование некультурных. Труды Национальной академии наук, 99 (24), 15681-15686. https://doi.org/10.1073/pnas.252630999
- ^ Найфач, С. и др. (2021). Геномный каталог микробиомов Земли. Природная биотехнология, 39 , 499-509. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0718-6
- ^ Ву Д., Ву М., Халперн А., Раш Д.Б., Юзеф С., Фрейзер М., Вентер Дж.К., Эйзен Дж.А. (март 2011 г.). «Наблюдение за четвертым доменом метагеномных данных: поиск, открытие и интерпретация новых глубоких ветвей в филогенетических деревьях маркерных генов» . ПЛОС ОДИН . 6 (3): e18011. Бибкод : 2011PLoSO...618011W . дои : 10.1371/journal.pone.0018011 . ПМК 3060911 . ПМИД 21437252 .
- Колин Баррас (18 марта 2011 г.). «Темная материя» биологии намекает на четвертую область жизни» . Новый учёный .
- ^ Лопес П., Халари С., Баптест Э (октябрь 2015 г.). «Сильно расходящиеся древние семейства генов в метагеномных образцах совместимы с дополнительными подразделениями жизни» . Биология Директ . 10:64 . дои : 10.1186/s13062-015-0092-3 . ПМЦ 4624368 . ПМИД 26502935 .
- Колин Баррас (11 ноября 2015 г.). «Таинственные микробы в нашем кишечнике могут стать совершенно новой формой жизни» . Новый учёный .
- ^ Шульце-Макух, Дирк (28 февраля 2017 г.). «Может ли инопланетная жизнь скрываться повсюду вокруг нас?» . Смитсоновский журнал . Смитсоновский институт . Проверено 30 ноября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- ^ Айва, К. и др. (2017). Метагеномика дробовика: от отбора проб до анализа. Природная биотехнология, 35 (9), 833-844. https://doi.org/10.1038/nbt.3935