זיקיבקטריה: המיקרובים המסתוריים המעצבים את ההבנה שלנו על מגוון החיידקים. גלו את תפקידיהם הנסתרים, הגנומיקה הייחודית שלהם והשפעתם על הסביבה.
- הקדמה: מהי זיקיבקטריה?
- גילוי וסיווג של זיקיבקטריה
- תכונות גנומיות ויכולות מטאבוליות
- תפקידים אקולוגיים והתפלגות סביבתית
- יישומים פוטנציאליים בביוטכנולוגיה ובתעשייה
- אתגרים בגידול ובמחקר
- כיווני מחקר עתידיים ושאלות שלא נענו
- מקורות והפניות
הקדמה: מהי זיקיבקטריה?
זיקיבקטריה הם פילה חיידקית אניגמטית יחסית, שנמצאת בתוך קרינת הפלאים המועמדים (CPR), קבוצה רחבה של חיידקים המוכרים בעיקר בעזרת רצפים של DNA סביבתי במקום גידול. זיקיבקטריה זוהו לראשונה בעזרת ניתוחים מטגנומיים של דגימות מים תת-קרקעיים ולא של מדגם, ונמצאו מאז בסביבות שונות, כולל מקומות תת-קרקעיים עמוקים, ר-SchR גדולים, ואתרים מזוהמים. חיידקים אלה מאופיינים על ידי גנומים קטנים ויכולות מטאבוליות מוגבלות, המצביעות על תלותם באורגניזמים אחרים או בתנאים סביבתיים ספציפיים להישרדות. הגילוי של זיקיבקטריה הרחיב את ההבנה שלנו לגבי מגוונים מיקרוביאליים ואת המורכבות שלם האקוסיסטמות המיקרוביות, במיוחד בסביבות שנחשבו בעבר לפחות פעילות ביולוגית. נוכחותם בסביבות שונות ולעיתים קיצוניות מדגישה את המשמעות האקולוגית האפשרית ואת ההתאמה שלהם. חרף התפוצה הרחבה שלהם, הרבה על זיקיבקטריה עדיין לא ידוע, כולל תפקידיהם המטאבוליים המדויקים, האינטראקציות עם מיקרואורגניזמים אחרים, ויישומים פוטנציאליים בביוטכנולוגיה או לשיקום סביבתי. מחקרים מתמשכים, שמנצלים את ההתקדמות במטגנומיקה ובגן יחיד, ממשיכים להאיר את ההיסטוריה האבולוציונית ואת הפוטנציאל התפקודי של קבוצה חיידקית מעניינת זו המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי, נייטשר – כתב העת ISME. ככל שגנומים נוספים נתפסים ומנותחים, מדענים מצפים לגלות מסלולים ביוכימיים חדשים ואסטרטגיות אקולוגיות שבהן משתמשים זיקיבקטריה, ומאירים עוד יותר את תפקידם במחזורי הביוגיאוכימיים של העולם.
גילוי וסיווג של זיקיבקטריה
זיקיבקטריה זוהו לראשונה בעזרת מאמצי רצף מטגנומי המכוונים לסביבות שונות ולעיתים קיצוניות, כמו אקוויפרים וסדימנטים תת-קרקעיים. גילויים היו חלק יוזם רחב יותר לקטלוג מה שנקרא "חומר אפל מיקרוביאלי" – מיקרואורגניזמים שהתחמקו מגידול ומחקר מיקרוביולוגי מסורתי. הגילוי הראשון של זיקיבקטריה התרחש בשנת 2013, כאשר חוקרים שיחזרו את הגנומים שלהם מדגימות DNA סביבתי, והראו משפחת חיידקים שלא זוהתה בעבר בתוך קבוצת קרינת הפלאים המועמדים (CPR) נייטשר.
במונחים טקסונומיים, זיקיבקטריה מסווגים בתוך פילה זיקיבקטיריות, שהיא חלק מן הסופרפילה CPR. סופרפילה זה כולל מגוון רחב של חיידקים עם גנומים קטנים ויכולות מטאבוליות מוגבלות, רבים מהם משקפים תלות על מערכות יחסים סימביוטיות או סינתרופיות עם מיקרואורגניזמים אחרים. הסיווג של זיקיבקטריה התבסס בעיקר על ניתוחים פילוגנטיים של רצפי גן 16S rRNA והשוואות של גנים שלמים, כיוון שאין יצוגים שגודלו כתרבות טהורה המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי.
ההכרה בזיקיבקטריה כקבוצה נפרדת הרחיבה את ההבנה שלנו על מגוון חיידקי ועל האבולוציה, במיוחד בסביבות תת-קרקעיות ואנוקסיות. מחקרים גנומיים מתמשכים ממשיכים לחדד את הסיווג שלהם ולהאיר על תפקידיהם האקולוגיים, הפוטנציאל המטאבולי והקשרים האבולוציוניים שלהם עם חיידקי CPR אחרים Current Opinion in Microbiology.
תכונות גנומיות ויכולות מטאבוליות
זיקיבקטריה, כחלק מקרינת הפלאים המועמדים (CPR), מחזיקות בגנומים ממודדים בצורה רבה שמעידים על התאמתן לנישות אקולוגיות מיוחדות. אנליזות גנומיות מראות כי גנומים של זיקיבקטריה הם בעצם קטנים, לעיתים פחות מ-2 מגהבייסים, ומקודדים עבור סט מוגבל של דרכים מטאבוליות. בולט הוא היעדרם של גנים רבים הקשורים לביוסינתזה של מרכיבים תאיים חיוניים, כמו חומצות אמינו מסוימות וויטמינים, המצביע על תלות במקורות הסביבתיים או מערכות יחסים סינתרופיות עם מיקרואורגניזמים אחרים עבור חומרים מזינים אלה המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי.
מטאבולית, זיקיבקטריה נמצאות בסבירות להיות אנאירוביות, עם ראיות גנומיות התומכות בנוכחות של דרכי פירוק. גנומים שלהם מקודדים עבור אנזימים לפירוק גליקוליזה ופעילות של מעגל חומצה טריקרבוקסילית (TCA) חלקית, אך לעיתים הם חסרים שרשרות העברת אלקטרונים שלמות, המעידות על יכולת מוגבלת לנשימה. חלק מהזיקיבקטריה מחזיקות גנים עבור הידרוגנז ופורמציה דהידרוגנז, מה שמעיד על תפקיד פוטנציאלי במטבוליזם של הידרוגן ופורמיאט, שעשויים להקל על שמירת אנרגיה בסביבות אנוקסיות נייטשר – כתב העת ISME.
בנוסף, גנומים של זיקיבקטריה מכילים לעיתים קרובות גנים עבור מעבירים ואנזימים המעורבים בקליטה בפירוק של תרכובות אורגניות מורכבות, כמו פחמימות ופפטידים. זה תומך בהנחה שהם משתתפים בהפרדת חומר אורגני בתוך קהילות מיקרוביאליות. השילוב של יכולות ביוסינתטיות מופחתות ותפקודים מטאבוליים מיוחדים מדגיש את המשמעות האקולוגית של זיקיבקטריה כתורמים למחזורי חומרים בסביבות מגוונות Current Opinion in Microbiology.
תפקידים אקולוגיים והתפלגות סביבתית
זיקיבקטריה, כחבר בקרינת הפלאים המועמדים (CPR), משאירים כולם על יחס מיוחד במחקר ובהבנה בגלל נוכחותם הרחבת אך הקופסולה בסביבות שונות. סקרי מטגנומיקה חשפו כי זיקיבקטריה מופצים ברחבי העולם, חיים בטווח רחב של אקוסיסטמות כולל מים תת-קרקעיים, ר-SchR גדולים, אדמות, ואפילו סביבות קשות כמו אקוויפרים תת-קרקעיים עמוקים ופתחים הידרו תרמיים. זיקיבקטריה התגלו הן בסביבות חמצניות והן אנוקסיות, מה שמעיד על פלורליות אקולוגית מרהיבה המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי.
באופן אקולוגי, זיקיבקטריה אף מועמדות להשפיע על מחזורי ביוגיאוכימיה, במיוחד במחזורי פחמן וגופרית. ניתוחים גנומיים מצביעים על כך שזיקיבקטריה רבות מחזיקות גנים עבור תהליך הפירוק ונשימה אנאירובית, מה שמעיד על פעילותם בהפרדת חומר אורגני בתנאים דלים בחמצן. כמה שושלות עשויות גם להשתתף במערכות יחסים סינתרופיות, ותלויות באינטראקציות מטאבוליות עם מיקרואורגניזמים אחרים כדי להשלים תהליכים שמפנים אנרגיה נייטשר – כתב העת ISME.
למרות שפעם, זיקיבקטריה עד כה נותרו ברובן לא גודלות, ותפקידיהם האקולוגיים המדויקים מסוקרים בעיקר בעזרת נתוני מטגנומיקה ונתוני גן יחיד. גנומים קטנים ויכולות ביוסינתיות מוגבלות מרמזות על תלות במקורות סביבתיים או מזינים שמקורם בבעל חיים, מה שמחזק את ההנחה שהם נמצאים בנישות אקולוגיות מיוחדות. מחקרים מתמשכים שואפים להבהיר את תפקידיהם בתפקוד האקוסיסטים ואת האינטראקציות הפוטנציאליות שלהם עם שאר חברי הקהילה המיקרוביאלית Current Opinion in Microbiology.
יישומים פוטנציאליים בביוטכנולוגיה ובתעשייה
זיקיבקטריה, כחלק מקרינת הפלאים המועמדים (CPR), יוצרות קשב גובר עבור יישומים פוטנציאליים בביוטכנולוגיה ובתעשייה בשל יכולותיהם המטאבוליות הייחודיות ותפקידיהם האקולוגיים. אנליזות גנומיות מצביעות על כך שזיקיבקטריה מחזיקות גנים מעורבים בפירוק תרכובות אורגניות מורכבות, כולל הידרוקברים ארומטיים ופוליסכרידים, שהם בעלי עניין משמעותי עבור תהליכי ביורימדיציה וטיפול בפסולת. היכולת שלהן להשתתף בהפרדת חומרים עכורים עשויה לשפר את היעילות של טיפול בפסולת תעשייתית או להמיר שיירים חקלאיים למוצרים בעלי ערך.
בייחוד, רזיקיבקטריה נמצאות לעיתים קרובות בסביבות דלות מזינים ותנאים קיצוניים, כמו סדימנטים תת-קרקעיים עמוקים ואקוויפרים מזוהמים. עמידות זו מעידה על נוכחות של אנזימים ומסלולים מטאבוליים חדשים שאפשר להשתמש בהם בתהליכים תעשייתיים הדורשים ביוקטליסטים עמידים, כמו בסינתזה של כימיקלים מיוחדים או הדטוקסיפיקציה של חומרים מסוכנים. גילויים של אנזימים ייחודיים מזיקיבקטריה עשויים גם לתרום לפיתוח כלים חדשים לביולוגיה סינתטית ולהנדסה מטאבולית.
למרות ההבטחות הללו, גידול זיקיבקטריה במעבדות נשאר מאתגר, מה שמגביל את האימות הניסוי הישיר של הפוטנציאל הביוטכנולוגי שלהם. עם זאת, התקדמות במטגנומיקה ובגנומיקה של תאי יחיד מאפשרת לחוקרים לשחזר מסלולים מטאבוליים ולזהות גנים מועמדים לביטוי הטרולוגי באורגניזמים מודל. המשך חקר הרפרטוארים התפקודיים של זיקיבקטריה עשוי לגלות פתרונות חדשניים לתהליכים תעשייתיים בני קיימא ולניסויים סביבתיים (קבוצת הוצאה לאור נייטשר, המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי).
אתגרים בגידול ובמחקר
זיקיבקטריה, כאחוזה מקרינת הפלאים המועמדים (CPR), מציינות אתגרים משמעותיים בגידול ובמחקר בשל מאפיינים פיזיולוגיים ואקולוגיים ייחודיים. אחד המכשולים העיקריים הוא התלות החלופית שלהם במערכות יחסים סינתרופיות עם מיקרואורגניזמים אחרים, מה שמסבך את המאמצים לגדל אותם בבידוד בעזרת מדיות מעבדה סטנדרטיות. הגנומים שלהם לרוב חסרים מסלולים שלמים של תהליכי ביוסינתזה חיוניים, מה שמעיד על תלות במקורות חיצוניים עבור קוטעי נקודות תעשייתיים ומזינים. תלות מטאבולית זו מקשה על שיקול חשמלי של התנאים הסביבתיים המדויקים הנדרשים להשרדותם והתרבותם ב-in vitro קבוצת הוצאה לאור נייטשר.
בנוסף, זיקיבקטריה בדרך כלל נמצאות בכמות מועטה בתוך קהילות מיקרוביאליות מורכבות, כמו מים תת-קרקעיים, סדימנטים וסביבות תת-קרקעיות. נדירותן והיעדרן של תכונות מורפולוגיות בולטות מקשות על גילוין ועל בידוד בעזרת טכניקות מיקרוביולוגיות מסורתיות. התקדמות ברצפי מטגנומיקה אפשרה לחוקרים לשחזר גנומים של זיקיבקטריה ישירות מדגימות סביבתיות, без необходимости לגודלה. עם זאת, גישה זו מספקת מידע מוגבל על הפיזיולוגיה שלהן, התפקידים האקולוגיים והאינטראקציות שלהן עם אחרים המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי.
מאמצי גידול זיקיבקטריה מסובכים עוד יותר על ידי שיעורי הצמיחה האיטיים והרגישויות לשינויים בפרמטרים סביבתיים כמו pH, טמפרטורה וזמינות מזינים. כתוצאה מכך, הרבה ממה שידוע על זיקיבקטריה מגיע מניתוחים גנומיים וביו-מידע ולא מצפיות ניסיוניות ישירות. כדי להתגבר על אתגרים אלה דרושים אסטרטגיות חדשות של גידול משותף ופיתוח של טכניקות גידול חדשות המתאימות לדרישות הייחודיות של חיידקים מסוג CPR Elsevier.
כיווני מחקר עתידיים ושאלות שלא נענו
למרות ההתקדמות האחרונה בזיהוי ובאפיון גנומיים של זיקיבקטריה, בעיות רבות באשר לביולוגיה, לאקולוגיה ולמשמעות האבולוציונית שלהן נותרות לא ברורות. כיווני מחקר עתידיים צריכים להעדיף את גידול זיקיבקטריה במעבדות, שכן רוב הידע הקיים נובע מנתוני מטגנומיקה ונתוני גן יחיד. בידוד מוצלח היה מאפשר מחקרים ישירים על הפיזיולוגיה והמטאבוליזם, ומבהיר את תפקידם במחזורי ביוגיאוכימיה, במיוחד בהמרות פחמן וגופרית בסביבות אנוקסיות.
אוקי שדה מרכזי נוסף לחקירה עתידית הוא ההתפלגות האקולוגית והגיוון הפונקציונלי של זיקיבקטריה בסביבות שונות. אמנם הם זוהו בסביבות שונות כמו אקוויפרים, ר-SchR גדולים ואתרים מזוהמים, אך הגורמים המנחים את שפעם, אינטראקציות קהילתיות והתמקצעות נישתית הם בעיקר לא ידועים. טכניקות מתקדמות כמו חקירה של יציבות איזוטופית ומטא-תרגומיקה עשויות לסייע להבהיר את פעילויותיהם בזמן אמת ואת האינטראקציות עם מיקרואורגניזמים אחרים.
שאלות שלא נענו נותרות גם בנוגע למקורות האבולוציוניים ולאבותיהם של זיקיבקטריה במסגרת הדומיין החיידקי הרחב יותר. מיקומם בתוך קרינת הפלאים המועמדים (CPR) מציע מסלול אבולוציוני ייחודי, אך היעדרם של נציגים שגדולו והנתונים הגנומיים המוגבלים מגבילים אנליזות פילוגנטיות יציבות. גנומיקה השוואתית ודגימות סביבתיות מורחבות עשויות לחשוף שושלות חדשות ולהאיר על הלחצים האבולוציוניים שעיצבו את הגנומים ואת אורח חייהן.
לבסוף, היישומים הביוטכנולוגיים הפוטנציאליים של זיקיבקטריה, כמו השימוש שלהן בביו-רימדיציה או במסלולים מטאבוליים חדשים, נותרו ספקולטיביים. מחקר ממוקד יכול לחשוף תכונות יקרות ערך עבור מדעים יישומיים. מאמצים בין תחומיים ימשיכו להיות הכרחיים כדי להתמודד עם פערי הידע הללו ולהבין במלואן את המשמעות של זיקיבקטריה באקולוגיה ובאבולוציה מיקרוביאלית (המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי).
מקורות והפניות
