Η βιοποικιλότητα αλλάζει τις στρατηγικές της βακτηριακής εξέλιξης
Στην τελευταία παράγραφο του On the Origin of Species , ο Κάρολος Δαρβίνος προέτρεψε τους αναγνώστες «να αναλογιστούν μια μπερδεμένη όχθη, ντυμένη με πολλά φυτά πολλών ειδών, με πουλιά να τραγουδούν στους θάμνους, με διάφορα έντομα να τριγυρίζουν και με σκουλήκια να σέρνονται μέσα στην υγρή γη». Αυτά τα φυτά, τα πουλιά, τα έντομα και τα σκουλήκια, συνέχισε, όλα εξελίχθηκαν όπως εξελίχθηκαν λόγω του πολύπλοκου πλέγματος οικολογικών παραγόντων στον οποίο είχαν ενσωματωθεί. Αν η θερμοκρασία ήταν πιο ζεστή, το νερό πιο όξινο ή αν απουσίαζε ένα συγκεκριμένο είδος χόρτου, θα μπορούσε να είχε αναπτυχθεί μια πολύ διαφορετική «μπερδεμένη τράπεζα».
Οι ερευνητές προσπάθησαν τυπικά να ξεκαθαρίσουν τις εξελικτικές επιδράσεις των περιβαλλοντικών παραγόντων μία προς μία. Ωστόσο, η πλήρης βιοποικιλότητα ενός περιβάλλοντος - το σύνολο της ίδιας της μπερδεμένης όχθης - μπορεί επίσης να επηρεάσει καθοριστικά τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσεται ένα είδος.
Πρόσφατα, μια εργασία δημοσιεύτηκε στο Nature διαπίστωσε ότι όταν ένα βακτηριακό είδος κατοικεί ακόμη και σε μια πολύ απλή οικολογική κοινότητα - μια που περιλαμβάνει λίγα άλλα είδη μικροβίων - αναπτύσσει πολύ διαφορετικές στρατηγικές άμυνας ενάντια σε έναν αρπακτικό ιό βακτηριοφάγου από ό,τι όταν μένει μόνο του με τον φάγο. Η έρευνα "επεκτείνει αυτές τις ιδέες στο πλαίσιο του μικροβιώματος, όπου υπάρχουν βακτήρια μαζί με πολλά άλλα είδη", δήλωσε ο Michael Brockhurst, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ στην Αγγλία που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Το εύρημα όχι μόνο ανεβάζει την αξία της βιοποικιλότητας ως εξελικτικού παράγοντα από μόνο του, αλλά υποδηλώνει ότι ορισμένα προηγούμενα συμπεράσματα σχετικά με τις συμπεριφορές και τις δυνατότητες των μικροοργανισμών, που προέρχονται από εργαστηριακές μελέτες ειδών σε απομόνωση, μπορεί να είναι σοβαρά ελλιπή. Ακούγεται επίσης μια σημείωση προσοχής σχετικά με ορισμένες στρατηγικές που εξετάζονται για την καταπολέμηση της αντοχής στα φάρμακα στα βακτήρια.
Αντίσταση με κάθε απαραίτητο μέσο
Οι επιστήμονες συχνά στρέφονται στα βακτήρια και τους ιούς βακτηριοφάγων που τα λεηλατούν για να μάθουν για τη συνεξέλιξη. Και οι δύο είναι εγκλωβισμένοι σε μια αιώνια εξελικτική σύγκρουση με ταχεία φωτιά που μπορεί να ελεγχθεί και να μετρηθεί στο εργαστήριο.
Πριν από αιώνες, τα βακτήρια (ή τα αρχαία ξαδέρφια τους) εξέλιξαν ένα έξυπνο σύστημα για την αποτροπή ιών:το γονιδιωματικό χαρακτηριστικό που ονομάζεται CRISPR, το οποίο έγινε διάσημο την περασμένη δεκαετία ως εργαλείο βιοτεχνολογίας. Το CRISPR δρα σαν προσαρμοστικό ανοσοποιητικό σύστημα. Επιτρέπει στα βακτήρια που έχουν εκτεθεί σε έναν ιό να μεταδώσουν μια γενετική «μνήμη» αυτής της λοίμωξης στους απογόνους τους, οι οποίοι μπορούν στη συνέχεια να δημιουργήσουν καλύτερες άμυνες έναντι μιας επαναλαμβανόμενης μόλυνσης. Είναι ένα σύστημα που λειτουργεί τόσο καλά που υπολογίζεται ότι το ήμισυ όλων των βακτηριακών ειδών χρησιμοποιούν CRISPR.
Αυτό που προβληματίζει πολλούς μικροβιολόγους, ωστόσο, είναι γιατί ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν το CRISPR και άλλα όχι. Βακτήρια εξοπλισμένα με CRISPR είναι διασκορπισμένα σε όλο το βακτηριακό βασίλειο σχεδόν τυχαία, και ακόμη και τα βακτήρια με CRISPR στο γονιδίωμά τους δεν βασίζονται σταθερά σε αυτό.
Οι ερευνητές έχουν αποκαλύψει δεκάδες άλλα συστήματα που χρησιμοποιούν τα βακτήρια για να αποκρούσουν τις εισβολές φάγων. Αλλά σε εργαστηριακές μελέτες, τα βακτήρια αναπτύσσουν κυρίως αυτό που είναι γνωστό ως επιφανειακή αντίσταση φάγου. Οι μεταλλάξεις αλλάζουν τα μόρια των υποδοχέων στην επιφάνεια του βακτηριακού κυττάρου, έτσι ώστε ο φάγος να μην μπορεί πλέον να το αναγνωρίσει και να εισβάλει σε αυτό.
Η στρατηγική μοιάζει με το κλείσιμο μιας πόρτας και το πέταγμα του κλειδιού:Προσφέρει στα βακτήρια πλήρη ασφάλεια από μόλυνση από τον ιό. Αλλά αυτή η προστασία έχει σημαντικό τίμημα, επειδή επίσης διαταράσσει οποιαδήποτε πρόσληψη θρεπτικών συστατικών, απόρριψη αποβλήτων, επικοινωνιακή εργασία ή άλλη κυτταρική λειτουργία που θα παρείχε ο υποδοχέας — επιβαρύνοντας συνεχώς την ικανότητα ενός κυττάρου.
Αντίθετα, το CRISPR σέρνει τους πόρους ενός κυττάρου μόνο όταν είναι ενεργό, κατά τη διάρκεια μιας ιογενούς μόλυνσης. Ακόμα κι έτσι, το CRISPR αντιπροσωπεύει ένα πιο επικίνδυνο παιχνίδι:Δεν αρχίζει να λειτουργεί έως ότου οι φάγοι έχουν ήδη εισέλθει στο κύτταρο, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα οι ιοί να το ξεπεράσουν. Και το CRISPR δεν επιτίθεται μόνο στο DNA του ιού. Μπορεί επίσης να αποτρέψει τα βακτήρια από το να προσλάβουν ευεργετικά γονίδια από άλλα μικρόβια, όπως αυτά που προσδίδουν αντοχή στα αντιβιοτικά.
Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν τους συμβιβασμούς στο κόστος και την καταλληλότητα; Τα τελευταία έξι χρόνια, ο Edze Westra, ένας εξελικτικός οικολόγος στο Πανεπιστήμιο του Exeter στην Αγγλία, ηγήθηκε μιας ομάδας που επιδιώκει την απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Το 2015, ανακάλυψαν ότι η διαθεσιμότητα των θρεπτικών συστατικών και η πυκνότητα των φάγων επηρέασαν το εάν το Ψευδομονάδα βακτήρια βασίζονται στην επιφανειακή αντοχή ή με βάση το CRISPR. Σε περιβάλλοντα φτωχά σε πόρους, οι τροποποιήσεις των υποδοχέων ήταν πιο επαχθείς, έτσι το CRISPR έγινε καλύτερη συμφωνία. Όταν οι πόροι ήταν άφθονοι, τα βακτήρια αναπτύχθηκαν πιο πυκνά και οι επιδημίες φάγων έγιναν πιο συχνές. Στη συνέχεια, τα βακτήρια αντιμετώπισαν μεγαλύτερη επιλεκτική πίεση για να απομακρυνθούν εντελώς από τη μόλυνση και έτσι έκλεισαν τους υποδοχείς για να αποκτήσουν αντίσταση στην επιφάνεια.
Αυτό εξηγεί γιατί η επιφανειακή αντίσταση ήταν τόσο συνηθισμένη στις εργαστηριακές καλλιέργειες. Αναπτύσσοντας σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, «αυτά τα βακτήρια είναι σε διακοπές», είπε η Westra. "Περνούν καταπληκτικά."
Ωστόσο, αυτοί οι κανόνες δεν κόπηκαν και στεγνώθηκαν. Πολλά βακτήρια σε φυσικά περιβάλλοντα με υψηλή περιεκτικότητα σε θρεπτικά συστατικά χρησιμοποιούν το CRISPR και πολλά βακτήρια σε φυσικά περιβάλλοντα χαμηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά δεν χρησιμοποιούν. «Είναι παντού», είπε η Γουέστρα. "Αυτό μας είπε ότι μάλλον κάτι μας έλειπε ακόμα."
Πώς η Βιοποικιλότητα αναδιαμορφώνει τη μάχη
Στη συνέχεια, ένας από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Westra, ο Ellinor Opsal, πρότεινε έναν άλλο πιθανό παράγοντα:την ποικιλομορφία των βιολογικών κοινοτήτων στις οποίες ζουν τα βακτήρια. Αυτός ο παράγοντας είναι πιο δύσκολο να μελετηθεί, αλλά οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως παρατηρήσει ότι θα μπορούσε να επηρεάσει την ανοσία των φάγων στα βακτήρια. Για παράδειγμα, το 2005, ο James Bull, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin, και ο William Harcombe, μεταπτυχιακός φοιτητής του τότε (τώρα στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα), διαπίστωσαν ότι ο E. coli Τα βακτήρια δεν ανέπτυξαν ανοσία σε έναν φάγο όταν υπήρχε ένα δεύτερο βακτηριακό είδος. Ομοίως, η Britt Koskella, εξελικτική βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και μια από τις μεταπτυχιακές της φοιτήτριες, η Catherine Hernandez, ανέφεραν πέρυσι ότι η αντίσταση στους φάγους απέτυχε να προκύψει στον Ψευδομονάδα βακτήρια που ζουν στον πραγματικό ξενιστή τους (ένα φυτό), αν και πάντα κέρδιζαν ανοσία σε δοκιμαστικό σωλήνα. Θα μπορούσε η ποικιλομορφία του περιβάλλοντος να επηρεάσει όχι μόνο την εξέλιξη της αντίστασης στους φάγους ή όχι, αλλά τη φύση αυτής της αντίστασης;
Για να το ανακαλύψει, η ομάδα του Westra πραγματοποίησε ένα νέο σύνολο πειραμάτων:Αντί να αλλάξει τις θρεπτικές συνθήκες για τον Ψευδομονάδα βακτήρια που αναπτύσσονταν με φάγους, πρόσθεσαν άλλα τρία βακτηριακά είδη — είδη που ανταγωνίζονταν τον Pseudomonas για πόρους αλλά δεν στοχεύτηκαν από τον φάγο.
Αφημένοι στον εαυτό τους, Ψευδομόνας κανονικά θα ανέπτυξαν μεταλλάξεις με βάση την επιφάνεια. Αλλά στην παρέα των αντιπάλων, ήταν πολύ πιο πιθανό να στραφούν στο CRISPR. Περαιτέρω έρευνα έδειξε ότι η πιο σύνθετη δυναμική της κοινότητας είχε μετατοπίσει το κόστος φυσικής κατάστασης:Τα βακτήρια δεν είχαν πλέον την οικονομική δυνατότητα να αδρανοποιούν τους υποδοχείς επειδή όχι μόνο έπρεπε να επιβιώσουν από τον φάγο, αλλά έπρεπε επίσης να ανταγωνίζονται τα βακτήρια γύρω τους.
Αυτά προκύπτουν από την ομάδα της Westra με προηγούμενα ευρήματα ότι οι φάγοι μπορούν να παράγουν μεγαλύτερη ποικιλομορφία σε βακτηριακές κοινότητες. "Τώρα, αυτή η ποικιλομορφία ανατροφοδοτεί πραγματικά την πλευρά των φάγων των πραγμάτων" επηρεάζοντας την αντίσταση στους φάγους, είπε ο Koskella. «Είναι ωραίο να βλέπεις αυτό να ολοκληρώνεται». Κατανοώντας αυτό το είδος του βρόχου ανάδρασης, πρόσθεσε, «μπορούμε να αρχίσουμε να κάνουμε πιο γενικές ερωτήσεις σχετικά με τις επιπτώσεις που έχουν οι φάγοι σε ένα πλαίσιο κοινότητας».
Για το ένα, η στροφή των βακτηρίων προς μια απόκριση φάγου που βασίζεται στο CRISPR είχε ένα άλλο, ευρύτερο αποτέλεσμα. Όταν η ομάδα του Westra μεγάλωσε Pseudomonas σε ξενιστές προνύμφες σκώρων, διαπίστωσαν ότι τα βακτήρια με αντίσταση στην επιφάνεια ήταν λιγότερο λοιμώδη, σκοτώνοντας τις προνύμφες πολύ πιο αργά από ό,τι τα βακτήρια με ενεργά συστήματα CRISPR.
Αυτά τα αποτελέσματα έχουν άμεσες συνέπειες για τη θεραπεία με φάγους, μια προσέγγιση για την καταπολέμηση βακτηριακών λοιμώξεων που κερδίζει το ενδιαφέρον των ερευνητών. Επιστήμονες όπως ο Paul Turner, οικολόγος και εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Yale, αναζητούν φάγους που θα προκαλούσαν μεταλλάξεις υποδοχέα σε στοχευμένα βακτήρια για να τα καταστήσουν λιγότερο λοιμώδη ή πιο ευαίσθητα στα αντιβιοτικά. Αλλά αν η εξέλιξη της αντοχής που βασίζεται στο CRISPR είναι μια επιλογή για τα βακτήρια, αυτή η στρατηγική «μπορεί να μην λειτουργεί πάντα σε μια πιο σύνθετη κοινότητα», είπε ο Turner. (Αναγνώρισε ότι αυτό δεν έχει ακόμη εμφανιστεί ως πρόβλημα στα πειράματα θεραπείας με φάγο).
Η ομάδα της Westra, μαζί με άλλες ομάδες, μελετά τώρα αυτές τις επιδράσεις σε άλλα βακτηριακά συστήματα και περιβάλλοντα, καθώς και για άλλους τύπους ανοσίας. Διερευνούν επίσης πώς οι διαφορετικοί τύποι μικροβιακής ποικιλότητας επηρεάζουν την εξέλιξη της αντίστασης στους φάγους στα βακτήρια. Εν τω μεταξύ, ο Harcombe και οι συνεργάτες του μελετούν πώς προχωρά η εξέλιξη σε κοινότητες όπου τα βακτηριακά είδη συνεργάζονται και βασίζονται το ένα στο άλλο για επιβίωση αντί να ανταγωνίζονται, όπως το μικροβίωμα στο ανθρώπινο έντερο.
Άλλοι εξετάζουν εξελικτικά χαρακτηριστικά πέρα από την αντίσταση στους φάγους. Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Αύγουστο, μια ομάδα ερευνητών διαπίστωσε ότι η μεγαλύτερη βιοποικιλότητα εμπόδιζε τη διάδοση ορισμένων γονιδίων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά.
Ίσως το πιο σημαντικό, αυτά τα ευρήματα δίνουν στους επιστήμονες πληροφορίες για το επίπεδο πολυπλοκότητας που μπορεί να χρειαστούν για τα πειράματά τους στο μέλλον. "Πολλά από τα πράγματα που πιστεύουμε ότι γνωρίζουμε για τα βακτήρια και τους φάγους και πώς αλληλεπιδρούν προέρχονται από αυτά τα πραγματικά απλά πειράματα δοκιμαστικού σωλήνα", είπε ο Westra. «Και αυτά τα αποτελέσματα απλώς δεν ισχύουν αν αρχίσουμε να εισάγουμε κάποια πραγματική οικολογική πολυπλοκότητα. Πρέπει να λάβουμε υπόψη τον περιβαλλοντικό ρεαλισμό» — ακόμα κι αν είναι πολύ πιο δύσκολη προσπάθεια.
"Αυτό θα είναι πραγματικά κρίσιμο", είπε ο Harcombe, "καθώς προσπαθούμε να διαχειριστούμε τα μικροβιώματα και καθώς προσπαθούμε να διαχειριστούμε τα οικοσυστήματα σε έναν κόσμο που αλλάζει."
