在加拉帕戈斯群島上發(fā)現(xiàn)了十幾種雀科，每種都有喙的形狀和大小。有些人有堅(jiān)固的喙裂縫堅(jiān)果，而其他人有長(zhǎng)而細(xì)的喙，以手術(shù)精確抓住幼蟲(chóng)。所有的雀類(lèi)都是在很短的時(shí)間內(nèi)從共同的祖先進(jìn)化而來(lái)，這是一種稱為自適應(yīng)輻射的進(jìn)化過(guò)程。盡管這種適應(yīng)性輻射的爆發(fā)對(duì)于動(dòng)物和植物來(lái)說(shuō)是常見(jiàn)的，但直到現(xiàn)在，它仍然難以記錄在野外的微生物中。

今天發(fā)表在Nature Communications雜志上的一項(xiàng)新研究表明，微生物中存在適應(yīng)性輻射，該研究由麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系(CEE)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)預(yù)示著可以創(chuàng)造更經(jīng)濟(jì)和可再生的生物燃料的新應(yīng)用，或創(chuàng)新生物醫(yī)藥化學(xué)品和產(chǎn)品。

“許多人懷疑它應(yīng)該在當(dāng)代環(huán)境中成為可能，因?yàn)槲⑸锱c地球上的生態(tài)系統(tǒng)共同進(jìn)化了數(shù)十億年，因此大多數(shù)生態(tài)機(jī)會(huì)都可能被利用，”CEE教授Martin Polz說(shuō)。“我們證明了適應(yīng)性輻射確實(shí)發(fā)生了，并且它們可以導(dǎo)致單個(gè)物種迅速多樣化為多個(gè)不同適應(yīng)的物種。”

在Polz和Eric Alm，CEE教授和麻省理工學(xué)院生物工程系的監(jiān)督下工作的主要作者包括研究生Philip Arevalo，前博士后Jan-Hendrik Hehemann和博士后Manoshi Datta，所有CEE。其他貢獻(xiàn)者包括現(xiàn)任和前任CEE博士后Christopher H. Corzett，Andreas Henschel和前CEE研究生Sarah P. Preheim; 生物工程系的Sonia Timberlake; 和麻省理工學(xué)院生物系的Xiaoqian Yu。

微生物適應(yīng)

“我們能夠揭示細(xì)菌消耗藻酸鹽的不同方式的演變，藻酸鹽是海藻中的一種重要碳水化合物，”Hehemann說(shuō)，他在麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系尋求博士后的任命，正是為了探索微生物如何適應(yīng)不同的問(wèn)題。資源利用。

Hehemann現(xiàn)在是德國(guó)馬克斯普朗克海洋微生物研究所的組長(zhǎng)，他是一名生物化學(xué)家，也是一名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家。他發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)的細(xì)菌群體具有非常不同的酶組，這表明他們有不同的喂養(yǎng)策略。就像達(dá)爾文雀的喙一樣，這些酶可以讓細(xì)菌最有效地消耗從海藻中獲取的一小部分資源。

“微生物多樣性是如此巨大，這就是為什么它仍然是理解它們?nèi)绾芜m應(yīng)這個(gè)世界的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。但是，我們的工作表明資源可能比我們以前認(rèn)為的更精細(xì)的分區(qū)，”他說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)： “這可能是為什么有這么多微生物種類(lèi)的難題的一部分。”Datta通過(guò)Arevalo的計(jì)算分析幫助彌合了Hehemann的實(shí)驗(yàn)室工作，這與她在微生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的背景非常吻合。

“該項(xiàng)目獨(dú)特而有力的一個(gè)方面是，我們能夠通過(guò)觀察細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試它們的代謝能力，然后回到基因組來(lái)了解這些特征如何進(jìn)化，從而產(chǎn)生假設(shè)，”她說(shuō)。

基因轉(zhuǎn)移

在過(guò)去的二十年里，研究人員已經(jīng)能夠?qū)?xì)菌基因組進(jìn)行測(cè)序，但現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程已經(jīng)成為常規(guī)，因?yàn)槌杀竞头治鰰r(shí)間已經(jīng)從數(shù)年和數(shù)百萬(wàn)美元大幅下降到現(xiàn)在低于100美元和僅僅幾個(gè)小時(shí)。

Arevalo解釋說(shuō)，研究小組研究了數(shù)百種Vibrionaceae菌株，其全基因組經(jīng)過(guò)遺傳測(cè)序：“我所做的是計(jì)算 - 發(fā)現(xiàn)微生物如何適應(yīng)藻類(lèi)的不同形式，然后觀察這些微生物基因的歷史。”

通過(guò)這一分析，研究人員發(fā)現(xiàn)水平基因轉(zhuǎn)移而非點(diǎn)突變是主要的多樣化驅(qū)動(dòng)因素。水平基因轉(zhuǎn)移是生物體從其親本以外的來(lái)源(例如，來(lái)自鄰近細(xì)胞或周?chē)h(huán)境)接收遺傳物質(zhì)的過(guò)程。原則上，這可以通過(guò)許多機(jī)制發(fā)生，并且可以在不密切相關(guān)的生物體之間轉(zhuǎn)移基因。

“在細(xì)菌中進(jìn)行基因重復(fù)是很常見(jiàn)的，可能是為了能夠更快地合成特定的酶，”Polz解釋道。“然而，這項(xiàng)研究表明，這些細(xì)菌不僅僅復(fù)制同一基因組中的一個(gè)拷貝，而是通過(guò)從一個(gè)微生物到另一個(gè)微生物的水平基因轉(zhuǎn)移獲得相同功能基因的新拷貝。這種分化告訴我們?nèi)绾卧诃h(huán)境中進(jìn)行選擇致力于創(chuàng)造不??同類(lèi)型的生物體，這些生物體在降解基質(zhì)時(shí)可以共同作用，也可以在尋求營(yíng)養(yǎng)時(shí)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。“

Polz補(bǔ)充說(shuō)，一些“先鋒”微生物通過(guò)釋放酶使??其更易溶解而部分降解藻類(lèi)底物，然后其他細(xì)菌進(jìn)入并使其降解更多。

“這需要一個(gè)村莊，”他說(shuō)。

“這篇論文是微生物進(jìn)化多樣化系列研究的一部分，它使Alm和Polz實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，”加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的進(jìn)化微生物學(xué)家W. Ford Doolittle教授表示，他沒(méi)有參與研究。“特別有趣的是它是基因轉(zhuǎn)移，而不是重復(fù)，這是一個(gè)有效的過(guò)程，加強(qiáng)了我們對(duì)細(xì)菌群落的認(rèn)識(shí)，使其在遺傳和代謝水平上具有高度互動(dòng)性。”