Wspaniały nowy świat bakterii

Pomimo 300 lat patrzenia przez mikroskopy, hodowania bakterii w kulturach i badania gleby, powietrza i wody pod kątem nowych gatunków drobnoustrojów, naukowcy wyraźnie przeoczyli większość życia na Ziemi. Dzięki nowym, potężnym narzędziom badawczym bakteriolodzy odkrywają, że świat żywych nagle stał się znacznie większy i bardziej złożony, niż wyobrażali sobie nawet dekadę temu. Być może odkrycie jest podobne pod względem wielkości do tego, co holenderski mikroskop Antoni van Leeuwenhoek zauważył po raz pierwszy drobnoustroje – nazwał je „zwierzęcymi kulami” – brykając pod jego prymitywnymi szklanymi soczewkami.





Ponieważ bakterie były zasadniczo niewykrywalne, chyba że można je było hodować w kulturze, większość gatunków – które istnieją w trudnych do replikacji środowiskach – była w pewnym sensie niedostępna. Wyobraź sobie, że całe nasze rozumienie biologii opierało się na wizytach w ogrodach zoologicznych, mówi Norman R. Pace, biolog z University of California w Berkeley. Jest to analogiczne do naszej sytuacji, jeśli chodzi o zrozumienie świata drobnoustrojów.

Tworzenie komputera ludowego

Ta historia była częścią naszego wydania z kwietnia 1997 r.

  • Zobacz resztę numeru
  • Subskrybuj

Melvin Simon, przewodniczący wydziału biologii w California Institute of Technology, szacuje, że około 99 procent bakterii nie może jeszcze rosnąć na laboratoryjnych szalkach hodowlanych. Dzieje się tak dlatego, że naukowcy często nie są w stanie określić dokładnej kombinacji warunków – w tym tlenu, temperatury i światła – jakich potrzebują drobnoustroje, i ponieważ trudno jest zasymulować te wymagania jednocześnie, aby były szczęśliwe. Około 6000 gatunków mikroorganizmów zostało formalnie opisanych. A do tej pory, mówi, reszta pozostawała dla nas niewidoczna.



Kluczem do uzyskania pierwszego wglądu w ten nowy świat było nauczenie się, jak izolować, wzmacniać i badać materiał genetyczny organizmu bezpośrednio ze środowiska bez hodowania samego organizmu. Używając instrumentów molekularnych, które selektywnie wybierają wysoce specyficzne geny bakterii z bulionu DNA, naukowcy mogą teraz szybko identyfikować nowe organizmy, badać ich właściwości i określać ich pokrewieństwo z organizmami już znanymi.

Wśród nowych narzędzi molekularnych ważną rolę odgrywa technika wzmacniania genów zwana PCR, reakcja łańcuchowa polimerazy. PCR pozwala na izolowanie i kopiowanie określonych genów w nieskończoność, więc wystarczająca ilość jest dostępna do szczegółowych badań, takich jak sekwencja DNA genu. I to w sekwencji — właściwie różnicach w sekwencjach między organizmami — można zobaczyć tożsamość drobnoustrojów.

Wraz z PCR nowe narzędzia obejmują technologię szybkiego sekwencjonowania, szybkie przetwarzanie komputerowe danych sekwencji genów oraz coraz dokładniejszą technologię elektroforezy, która elektrycznie oddziela geny w żelu lub płynie w zależności od rozmiaru.



Jednym z głównych celów analitycznych takich prac jest wszechobecny RNA (kwas rybonukleinowy) w rybosomach, małych zaokrąglonych ciałach, które żywe komórki wykorzystują jako urządzenia do budowy białek. Wszystkie komórki mają rybosomy, a ponieważ RNA, które zawierają, różni się nieznacznie w zależności od gatunku, służy jako wiarygodny marker – rodzaj molekularnego nieśmiertelnika – który można wykorzystać do identyfikacji, klasyfikacji i analizy każdego nowego drobnoustroju.

Zaskakującym odkryciem jest to, że wszędzie, gdzie naukowcy stosują te nowe techniki, napotykają nowe dziwne bakterie w obfitości i różnorodności, której nikt tak naprawdę nie przewidział. Na przykład, jak wyjaśnia Paul Dunlap, naukowiec z Woods Hole Oceanographic Institution w Massachusetts w publikacji Woods Hole Oceanus, życie drobnoustrojów w morzu jest tak niewiarygodnie obfite, że w niektórych przypadkach organizmy występują w niezwykle dużej liczbie, do około 100. miliardów na mililitr wody morskiej. W rzeczywistości organizmy o średnicy mniejszej niż 2 mikrony żyjące w morzu są tak liczne, że stanowią 95 procent masy wszystkich form życia w oceanach na świecie.

Gleby osadowe, nawet pradawne błoto osadzone na dnie głębinowym, są również bardzo żywe przez mikroorganizmy. Na przykład niedawne wiercenie w dnie Morza Japońskiego pobrało próbki — z warstw osadów zakopanych na głębokości 500 metrów, zawierających miliony organizmów w każdym gramie gleby.



Nowe Królestwa

Odkrycia sugerują, że nawet maleńki łyk wody lub niewielka próbka gleby zawiera wystarczającą ilość bakterii – większość z nich wcześniej nieznanych – aby utrzymać grupy naukowców zajętych przez lata. Są nowe geny, nowe enzymy i nowe funkcje, o których nic nie wiemy, zauważa Simon, a dane gromadzą się zbyt szybko, aby można je było szczegółowo przeanalizować. Oni (mikroby) mają nawet różne rodzaje błon komórkowych, co sugeruje, że do zbadania są zupełnie nowe obszary biologii.

Ponieważ każdy organizm ma własne geny, charakterystyczną biochemię, strukturę i zachowanie, potencjał przemysłowy jest ogromny. Każdy gatunek posiada od 1000 do 5000 genów, a ich właściwości biochemiczne w większości są nadal nieznane. Jest więc prawdopodobne, że zostaną odkryte nowe enzymy, żywność, leki, chemikalia, materiały i procesy. Bakterie, które mogą żyć w nieprzyjaznym środowisku gorących źródeł, na przykład wytworzyły specjalne enzymy, które doskonale zachowują się w wysokiej temperaturze, które mogą być przydatne w obróbce chemicznej. Pace mówi również, że niektóre mikroorganizmy wytwarzają substancje, które przywierają do powierzchni w niemal wrzącej wodzie, co może być cenne w niektórych operacjach produkcyjnych.



W kategoriach ewolucyjnych, zauważa Simon, nie powinno dziwić, że istnieje tak wiele różnych rodzajów bakterii, nawet w miejscach, w których kiedyś wydawało się to mało prawdopodobne. W końcu przez 3 miliardy lat świat był zamieszkany przez bakterie i prawdopodobnie niewiele więcej. Tak więc te organizmy jednokomórkowe miały znacznie więcej czasu na ewolucję niż większość innych stworzeń na Ziemi.

ukryć