Ένας εξερευνητής των βαθύτερων συνεργασιών της ζωής

Πριν από δύο χρόνια, η Nancy Moran μετακόμισε από το Πανεπιστήμιο Yale στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin, μαζί με 120.000 μέλισσες. Οι μέλισσες είναι διάσημες επειδή ζουν σε μεγάλες κοινωνικές ομάδες, αλλά η Moran ενδιαφερόταν για κάτι περισσότερο από την κυψέλη:Ερευνά το ποικίλο οικοσύστημα βακτηρίων που εξελίχτηκε μαζί με τις μέλισσες, μια ομάδα που συμβάλλει στην υγεία των κυψελών και στην ανθεκτικότητά τους στη μόλυνση .

Οι μέλισσες και η μικροβίωσή τους είναι μόνο ένα παράδειγμα συμβίωσης - μια στενή σχέση μεταξύ δύο ειδών που συνήθως βοηθά και τα δύο. Η συμβίωση μπορεί να λάβει διάφορες μορφές. Τα καθαρότερα ψάρια καθαρίζουν το νεκρό δέρμα από άλλα ψάρια και κερδίζουν ένα γεύμα στη διαδικασία. Τα μυριάδες μικρόβια που ζουν στο έντερό μας μας βοηθούν να αφομοιώσουμε ορισμένα τρόφιμα.

Όμως, μεγάλο μέρος της δουλειάς του Moran έχει επικεντρωθεί σε ένα βαθύτερο είδος συνεργασίας, που περιλαμβάνει μικρόβια γνωστά ως ενδοσυμβίωσης που μεταφέρονται από τον ξενιστή τους στους απογόνους του. Με τον συνεργάτη της Paul Baumann, βακτηριολόγο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Davis, η Moran αποκάλυψε τη στενά συνυφασμένη φύση αυτών των σχέσεων ξενιστή-μικροβίου. Πολλά ζεύγη έχουν γίνει πλήρως εξαρτημένα το ένα από το άλλο, μερικά μάλιστα ανταλλάσσουν γονίδια. Η έρευνά της επικεντρώθηκε σε μεγάλο βαθμό στις αφίδες, τα έντομα που τρέφονται με χυμούς και προσβάλλουν φυτά. Οι αφίδες δεν μπορούν να επιβιώσουν χωρίς ένα μικρόβιο που ονομάζεται Buchnera aphidicola , που ζει μέσα στο έντομο και του παρέχει απαραίτητα θρεπτικά συστατικά.

Η Moran κάνει τώρα παρόμοια δουλειά με τις μέλισσες και η έρευνά της θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν τη διαταραχή κατάρρευσης αποικιών, τη μυστηριώδη πανούκλα που καταστρέφει τους πληθυσμούς των μελισσών. Ο Moran ελπίζει ότι η προοπτική ενός εξελικτικού βιολόγου θα παράσχει επίσης σημαντική εικόνα για τη λειτουργία του ανθρώπινου μικροβιώματος - τη συλλογή μικροβίων που ζουν πάνω και μέσα μας - που έχει γίνει ένα καυτό θέμα στην ανθρώπινη υγεία.

Περιοδικό Quanta μίλησε με τη Moran τον Ιούλιο στο συνέδριο Society for Molecular Biology and Evolution στη Βιέννη, όπου παρουσίασε την τελευταία της έρευνα για τις μέλισσες. Ακολουθεί μια επεξεργασμένη και συνοπτική εκδοχή της συνέντευξης.

QUANTA MAGAZINE:Πώς ήταν ο τομέας της συμβίωσης όταν ξεκινήσατε τη δεκαετία του 1980;

NANCY MORAN:Ήταν ένα περιθωριακό θέμα στη βιολογία εκείνη την εποχή. Τα περισσότερα συμβιόνια δεν μπορούν να μελετηθούν εκτός του οικοδεσπότη τους και όλοι τα αγνοούσαν. Υπήρχαν πολύ περιορισμένα εργαλεία για τη μελέτη τους. Στη συνέχεια, στη δεκαετία του 1980, έγιναν διαθέσιμες νέες μοριακές μέθοδοι για την ενίσχυση του DNA και στη συνέχεια την αλληλουχία του.

Πώς χρησιμοποιήσατε αυτά τα εργαλεία για να μελετήσετε τη συμβίωση;

Ένα από τα πρώτα πράγματα που κάναμε ήταν να δημιουργήσουμε ένα εξελικτικό δέντρο για τις αφίδες και τα μόνιμα βακτήρια τους, το Buchnera . Καταλάβαμε ότι είχαν συνεξελίξει για περισσότερα από 100 εκατομμύρια χρόνια, από τότε που εμφανίστηκαν για πρώτη φορά οι αφίδες. Οι αφίδες βασικά δεν θα υπήρχαν χωρίς συμβίωση. Βρήκαμε ότι αυτό το μοτίβο ήταν αρκετά διαδεδομένο. Οι μεγάλες ομάδες εντόμων εξελίχθηκαν επειδή είχαν συμβίωση.

Πώς βοηθούν οι συμβιώσεις τους ξενιστές των εντόμων τους;

Συχνά παρέχουν διατροφή. Οι αφίδες ζουν με χυμό φυτών, το οποίο είναι ακατάλληλο για τα ζώα επειδή δεν έχει όλα τα απαραίτητα αμινοξέα. Buchnera παράγει απαραίτητα αμινοξέα για αυτά. Η μύγα τσέτσε, που τρέφεται με αίμα, έχει ένα σύμπτωμα που παράγει βιταμίνες του συμπλέγματος Β. Χρησιμοποιώντας τη γονιδιωματική, μπορέσαμε να βρούμε τα ακριβή γονίδια που απαιτούνται για την παραγωγή θρεπτικών συστατικών όπως αμινοξέα ή βιταμίνες.

Πώς αλλάζουν τα συμβιόνια ως απόκριση στους οικοδεσπότες τους;

Όταν αρχίσαμε να αναλύουμε ολόκληρα γονιδιώματα συμβιωτικών βακτηρίων, συνειδητοποιήσαμε ότι είχαν ασυνήθιστα μοτίβα γονιδιακής εξέλιξης. Τα ενδοσυμβίωση συχνά χάνουν πολλά γονίδια. Στην πραγματικότητα, η ακραία μικροσκοπικότητα ορισμένων από τα γονιδιώματα του ενδοσυμβίου ήταν μια έκπληξη όταν ξεκινήσαμε, τόσο πολύ που δεν πιστέψαμε τα αρχικά μας αποτελέσματα. Για την αφίδα-Buchnera περίπτωση, το μέγεθος του γονιδιώματος του Buchnera Το symbiont είχε προβλεφθεί ότι θα είναι επτά φορές το μέγεθος του E. coli γονιδίωμα, ενώ στην πραγματικότητα ήταν μόνο το ένα έβδομο του μεγέθους!

Όταν ένα συμβίωση ενσωματώνεται τόσο στενά με έναν οικοδεσπότη, το αποτέλεσμα είναι κάτι σαν ένα εντελώς νέο πλάσμα, μια συγχώνευση του οικοδεσπότη και του συμβιόντος, που τώρα δεν έχει δυνατότητες που δεν υπάρχουν σε κανένα από τα δύο μόνο.

Ανακαλύψατε ότι μερικές φορές οι συμβιωτικές σχέσεις είναι πιο περίπλοκες από το απλό οικοδεσπότη και συμβίωση. Μπορείτε να μας δώσετε ένα παράδειγμα;

Οι αφίδες έχουν συμβιωτικά βακτήρια που ονομάζονται Hamiltonella defensa που τα προστατεύουν από τις σφήκες. Αλλά τα βακτήρια είναι προστατευτικά μόνο εάν έχουν μολυνθεί από έναν συγκεκριμένο ιό. Ο ιός λοιπόν, μέσα στο συμβίωμα, μέσα στην αφίδα, τους προστατεύει όλους. Είναι ένα πολυεπίπεδο σύστημα. Και οι τρεις ωφελούνται εάν η αφίδα είναι ανθεκτική στη σφήκα.

Νομίζω ότι με ελκύει η πολυπλοκότητα αυτών των πραγμάτων που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Φαίνονται τόσο περίπλοκα και περίπλοκα, αλλά μπορείτε να τα καταλάβετε αν σκεφτείτε πώς ενεργούσε η επιλογή σε διαφορετικά επίπεδα.

Ο όρος συμβίωση αναφέρεται γενικά σε μια βοηθητική σχέση μεταξύ δύο ειδών. Αλλά προσέχετε ότι μπορεί να έχει ένα μειονέκτημα.

Τα συμβόλαια δεν είναι πάντα καλά. Τα εξελικτικά συμφέροντα των βακτηρίων μπορεί να είναι σε συμφωνία με αυτά του ξενιστή ή εναντίον τους. Τα συμβιωτικά βακτήρια μπορεί να εξελιχθούν για να ωφελήσουν τον ξενιστή, έτσι ώστε ο ξενιστής να ζήσει περισσότερο (και να συνεχίσει να παρέχει ένα σπίτι για τα βακτήρια). Ή τα βακτήρια μπορεί να σκοτώσουν τον ξενιστή, έτσι ώστε το πτώμα του ξενιστή να διασκορπίσει τα μικρόβια. Για παράδειγμα, Photorhabdus luminescens είναι ένας συμβίωση του εντέρου των νηματωδών σκουληκιών. Τα νηματώδη αποικίζουν ένα έντομο και το P. φωταύγεια εξέρχεται από τους νηματώδεις, μολύνει το έντομο και το σκοτώνει. Στη συνέχεια, τα νηματώδη απορροφούν τα βακτήρια και ταξιδεύουν σε έναν νέο ξενιστή.

Τα τελευταία χρόνια, έχετε μετακινηθεί από τη μελέτη των αφίδων και των ενδοσυμβίων στις μέλισσες και τα μικρόβια τους. Τι ενέπνευσε την αλλαγή;

Είναι πολύ δύσκολο να εκτελούνται πειράματα σε ενδοσυμβίωση επειδή οι οργανισμοί τα χρειάζονται για να επιβιώσουν. Δεν μπορείτε να αφαιρέσετε το συμβόλαιο και να δείτε τι συμβαίνει.

Τι σας τράβηξε στις μέλισσες;

Οι μέλισσες είναι κοινωνικά έντομα, τα οποία δίνουν τη δυνατότητα στα μικρόβια να μεταφέρονται από ζώο σε ζώο. Με αυτόν τον τρόπο, το μικροβίωμα της μέλισσας μοιάζει πολύ με το μικροβίωμα του ανθρώπου.

Πώς μπορεί το μικροβίωμα της μέλισσας να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε την ανθρώπινη εκδοχή;

Διαφορετικές αποικίες μελισσών έχουν διαφορετικά στελέχη με διαφορετικές συλλογές γονιδίων, όπως και οι άνθρωποι έχουν τη δική τους μοναδική συλλογή μικροβίων.

Σε μελέτες ανθρώπινου μικροβιώματος, οι δεσμοί μεταξύ του μικροβιώματος και της υγείας είναι σχετικοί. Σπάνια έχουμε αιτιολογικά δεδομένα. Στις μέλισσες, μπορούμε να κάνουμε πιο άμεσα πειράματα. Μπορούμε να κάνουμε κάτι στην αποικία και να δούμε αν ευδοκιμεί ή αποτυγχάνει. Για παράδειγμα, απομονώνουμε νύμφες στο εργαστήριο και εμβολιάζουμε τις αναδυόμενες ενήλικες μέλισσες με συγκεκριμένα βακτήρια. Είναι ένα απλούστερο σύστημα αλλά εξακολουθεί να είναι πολύπλοκο.

Τι ελπίζετε να μάθετε για την υγεία των μελισσών;

Οι καθαρές μέλισσες, αυτές που δεν έχουν μικρόβια, μπορεί να είναι χειρότερες στην αντιμετώπιση περιβαλλοντικών προκλήσεων, όπως οι ελλείψεις τροφής, το άγχος και τα παθογόνα. Υπάρχουν κάποιες ενδείξεις ότι ορισμένα βακτηριακά στελέχη μπορούν να προστατεύσουν τις μέλισσες από έναν ιό RNA που είναι το πιο κοινό και θανατηφόρο παθογόνο του είδους. Ο ιός είναι ευρέως διαδεδομένος στις μέλισσες και σκοτώνει ορισμένες αποικίες, αλλά φαίνεται αβλαβής σε άλλες. Γιατί; Πιθανότατα έχει να κάνει με το μικροβίωμα και το πόσο ανθεκτική είναι η αποικία.

Bill McCullough για το Quanta Magazine

Βίντεο: Η Moran εξηγεί πώς η διαταραχή κατάρρευσης αποικίας την οδήγησε να μελετήσει τα βακτήρια που ζουν στα έντερα των μελισσών.

Η εργασία σας θα εντοπίσει πιθανές αιτίες διαταραχής κατάρρευσης αποικίας;

Είναι μόνο εικασίες σε αυτό το σημείο. Αλλά μπορείτε να φανταστείτε ότι μια φυσική αποικία μελισσών έχει μικρή έκθεση σε άλλες αποικίες. Ένα μικρόβιο θα επιβιώσει μόνο εάν επιβιώσει η αποικία του ξενιστή. Αλλά οι εμπορικές μέλισσες εκτρέφονται πιο κοντά μεταξύ τους παρά στην άγρια ​​φύση, επομένως υπάρχουν περισσότερες ευκαιρίες για τα μικρόβια να εξαπλωθούν μεταξύ των αποικιών. Εάν πάρετε πολλές αποικίες και τις βάλετε λίγα μέτρα μακριά, θα μπορούσατε να δημιουργήσετε συνθήκες όπου υπάρχει μεγαλύτερο πλεονέκτημα [από την οπτική γωνία του μικροβίου] να εισβάλετε σε άλλες αποικίες αντί να βασίζεστε σε έναν μόνο ξενιστή. Αυτό θα μπορούσε να επιλέξει για βακτήρια που είναι επιβλαβή για την αποικία - για παράδειγμα αυτά που προκαλούν στις μέλισσες να αναπτύξουν διάρροια και να εξαπλώσουν το μικρόβιο. Μελέτες μοντελοποίησης που βασίζονται σε ανθρώπινα παθογόνα υποδηλώνουν ότι η πολλή κοινωνική επαφή θα μπορούσε να δημιουργήσει πιο επιβλαβή μικρόβια.

Τα τελευταία 30 χρόνια, η συμβίωση έχει μετατραπεί από έναν μη δημοφιλή τομέα έρευνας σε ένα μοντέρνο θέμα — το ανθρώπινο μικροβίωμα αποτελεί αντικείμενο χιλιάδων δημοσιεύσεων. Τι λείπει από τις τελευταίες μελέτες;

Σήμερα, βλέπουμε πολλά πρωτοσέλιδα που υποθέτουν ότι μια ποικιλόμορφη μικροχλωρίδα είναι καλή. Ο γενικός τόνος, ακόμη και μεταξύ των βιολόγων - εκτός από τους εξελικτικούς βιολόγους - είναι ότι όλα είναι ευεργετικά. Αλλά η διαφορετικότητα μπορεί να είναι καλή ή κακή. Μια εξελικτική προοπτική μπορεί να προσφέρει κάποια ισορροπία. Πρέπει να κατανοήσουμε τις εξελικτικές διαδικασίες σε διαφορετικά επίπεδα, όπως μεταξύ ενός ξενιστή και των μικροβίων του και μεταξύ των διαφορετικών ειδών βακτηρίων που ζουν μέσα στον ξενιστή.