Zixibakterijos: Mįslingi mikroorganizmai, keičiantys mūsų supratimą apie bakterijų įvairovę. Atraskite jų paslėptus vaidmenis, unikalias genomikas ir aplinkos poveikį.
- Įvadas: Kas yra zixibakterijos?
- Zixibakterijų atradimas ir klasifikacija
- Genominės savybės ir metabolinės galimybės
- Ekologiniai vaidmenys ir aplinkos pasiskirstymas
- Potencialios taikymo galimybės biotechnologijoje ir pramonėje
- Iššūkiai auginant ir tiriant
- Būsimos tyrimų kryptys ir neatsakyti klausimai
- Šaltiniai ir nuorodos
Įvadas: Kas yra zixibakterijos?
Zixibakterijos yra neseniai aprašytas ir palyginti mįslingas bakterijų phylumas, priklausantis kandidatinėms phyloms (CPR), dideliai bakterijų grupei, kuri pagrindinai žinoma iš aplinkos DNR sekos, o ne kultivavimo. Pirmą kartą identifikuotos per metagenominius vandens ir nuosėdų mėginių tyrimus, zixibakterijos nuo to laiko buvo aptiktos įvairiose aplinkose, įskaitant gilius povandeninius buveines, jūros nuosėdas ir užterštas vietas. Šios bakterijos pasižymi mažomis genomo apimtimis ir ribotomis metabolinėmis galimybėmis, kas rodo jų priklausomybę nuo kitų organizmų arba specifinių aplinkos sąlygų, kad išgyventų. Zixibakterijų atradimas išplėtė mūsų supratimą apie mikrobinę įvairovę ir mikrobiologinių ekosistemų sudėtingumą, ypač aplinkose, anksčiau laikytose mažiau biologinių aktyvių. Jų buvimas įvairiose dažnai ekstremaliose buveinėse pabrėžia jų ekologinę svarbą ir prisitaikymą. Nepaisant ploto, daug apie zixibakterijas lieka nežinoma, įskaitant jų tikslinius metabolinius vaidmenis, sąveikas su kitais mikroorganizmais ir potencialias taikymo galimybes biotechnologijoje ar aplinkos valyme. Nuolatiniai tyrimai, pasitelkiančios pažangą metagenomikoje ir vieno ląstelės genomikoje, toliau atskleidžia šios intriguojančios bakterijų grupės evoliucijos istoriją ir funkcinį potencialą Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras, Nature – The ISME Journal. Kai bus atkurta ir analizuota daugiau genų, mokslininkai tikisi atrasti naujus biocheminius kelius ir ekologines strategijas, kuriomis remiasi zixibakterijos, dar labiau apšviesdamos jų vaidmenį pasauliniuose biogeocheminiuose cikluose.
Zixibakterijų atradimas ir klasifikacija
Zixibakterijos pirmą kartą buvo identifikuotos per metagenominius sekos tyrimus, dirbant su įvairiomis ir dažnai ekstremaliomis aplinkomis, tokiomis kaip vandeningieji sluoksniai ir giliuosius nuosėdas. Jų atradimas buvo dalis platesnės iniciatyvos kataloguoti vadinamąją „mikrobinę tamsiąją medžiagą” – mikroorganizmus, kurie išvengė kultivavimo ir tradicinių mikrobiologinių studijų. Pradinis zixibakterijų aptikimas įvyko 2013 m., kai tyrėjai rekonstravo jų genus iš aplinkos DNR mėginių, atskleidžiant anksčiau nepripažintą bakterijų liniją kandidatinėse phyloms (CPR) grupėje Nature.
Taksonomiškai, zixibakterijos klasifikuojamos į zixibakteriotų phylumą, kuris yra didesnio CPR superphylos dalis. Šis superphylas apima didelę bakterijų įvairovę su mažais genoma ir ribotomis metabolinėmis galimybėmis, dauguma iš kurių manoma, kad remiasi simbiotinėmis arba sintrifinėmis sąveikomis su kitais mikroorganizmais. Zixibakterijų klasifikacija buvo pagrįsta pirmiausia filogenetinėmis 16S rRNR geno sekos ir viso genomo palyginimais, kadangi nėra izoliuotų atstovų grynojoje kultūroje Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras.
Zixibakterijų pripažinimas kaip atskiros linijos išplėtė mūsų supratimą apie bakterijų įvairovę ir evoliuciją, ypač povandeninėse ir anoksinėse aplinkose. Nuolatiniai genomo tyrimai toliau tobulina jų klasifikaciją ir atskleidžia jų ekologinius vaidmenis, metabolinį potencialą ir evoliucines sąsajas su kitomis CPR bakterijomis Curr Opin Microbiol.
Genominės savybės ir metabolinės galimybės
Zixibakterijos, priklausančios kandidatinėms phyloms (CPR), pasižymi labai supaprastintais genoma, kurie atspindi jų prisitaikymą prie specializuotų ekologinių nišų. Genomikos analizės rodo, kad zixibakterijų genai paprastai yra maži, dažnai mažesni nei 2 megabazės, ir koduoja ribotą metabolinių kelių spektrą. Ypač, šios bakterijos neturi daugelio genų, susijusių su esminių ląstelinių komponentų biosinteze, tokių kaip kai kurie aminorūgštys ir vitaminai, kas rodo jų priklausomybę nuo aplinkos šaltinių arba sintrifinių sąveikų su kitais mikroorganizmais šiems maisto medžiagoms Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras.
Metaboliniu požiūriu, zixibakterijos numatomos kaip anaerobinės, o genominėje analizėje randama fermentacijos kelių. Jų genai koduoja fermentus glikolizei ir dalinei trikarboninių rūgščių (TCA) ciklo veiklai, tačiau dažnai trūksta visiškai elektros transporto grandinių, kas rodo ribotą kvėpavimo gebėjimą. Kai kurios zixibakterijos turi genus, susijusius su vandenilio ir formiato dehidrogenazėmis, kas gali rodyti potencialią vaidmenį vandenilio ir formiato metabolizme, kurie gali palengvinti energijos taupymą anoksinėse aplinkose Nature – The ISME Journal.
Be to, zixibakterijų genai dažnai turi genų, kurie dalyvauja transportavime ir kompleksių organinių junginių, tokių kaip angliavandeniai ir peptidai, degradacijoje. Tai palaiko hipotezę, kad jos dalyvauja organinės medžiagos skaidyme mikrobinėse bendruomenėse. Sumažintų biosintetinių pajėgumų ir specializuotų metabolinių funkcijų derinys pabrėžia zixibakterijų ekologinę svarbą kaip maisto medžiagų apykaitos dalyviams įvairiose aplinkose Curr Opin Microbiol.
Ekologiniai vaidmenys ir aplinkos pasiskirstymas
Zixibakterijos, kaip kandidatinės phylos (CPR) narys, patraukė dėmesį dėl savo plačios, bet paslėptos buvimo skirtingose aplinkose. Metagenominiai tyrimai parodė, kad zixibakterijos globaliai pasiskirstiusios, gyvena įvairiose ekosistemose, įskaitant povandeninį vandenį, jūros nuosėdas, dirvožemius ir net ekstremalias aplinkas, tokias kaip gilios povandeninės aquiferos ir hidroterminiai šaltiniai. Jų aptikimas tiek deguonies, tiek anoksinėse buveinėse rodo nepaprastą ekologinį lankstumą Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras.
Ekologiškai, manoma, kad zixibakterijos vaidina reikšmingus vaidmenis biogeocheminiuose cikluose, ypač anglies ir sieros cikluose. Genomikos analizės rodo, kad dauguma zixibakterijų turi genus fermentacijai ir anaerobiniam kvėpavimui, kas rodo jų dalyvavimą organinės medžiagos skaidyme esant mažam deguonies lygiui. Kai kurie ligninai gali taip pat dalyvauti simp lietuvais, remdamiesi metabolinėmis sąveikomis su kitais mikroorganizmais, kad užbaigtų energiją teikiančius procesus Nature – The ISME Journal.
Nepaisant jų gausos, zixibakterijos išlieka daugiausia nekultivuojamos, o jų tiksliniai ekologiniai funkcionavimai gauti iš metagenominių ir vieno ląstelių genomo duomenų. Jų mažos genomo apimtys ir riboti biosintetiniai pajėgumai rodo priklausomybę nuo aplinkos ar šeimininko gaunamų maisto medžiagų, dar labiau palaikant hipotezę, kad jos užima specializuotas ekologines nišas. Nuolatiniai tyrimai siekia išaiškinti jų vaidmenis ekosistemų funkcionavime ir potencialias sąveikas su kitais mikrobiniais bendruomenės nariais Current Opinion in Microbiology.
Potencialios taikymo galimybės biotechnologijoje ir pramonėje
Zixibakterijos, kaip kandidatinės phylos (CPR) narys, gavo vis didesnį dėmesį dėl savo potencialių taikymo galimybių biotechnologijoje ir pramonėje, atsižvelgiant į jų unikalias metabolines galimybes ir ekologinius vaidmenis. Genomikos analizės rodo, kad zixibakterijos turi genus, įtrauktus į kompleksinių organinių junginių, įskaitant aromatinius angliavandenilius ir polisacharidus, degradaciją, kurie yra itin svarbūs bioremediacijai ir atliekų tvarkymo procesams. Jų gebėjimas dalyvauti atsparių medžiagų skaidyme galėtų būti pasinaudota siekiant pagerinti pramoninių nuotekų tvarkymo efektyvumą arba žemės ūkio liekanų biokonversiją į pridėtinės vertės produktus.
Be to, zixibakterijos dažnai randamos aplinkose su ribotomis maisto medžiagomis ir ekstremaliomis sąlygomis, tokiomis kaip giliųjų nuosėdų ir užterštų aquiferų. Ši atsparumo savybė rodo, kad egzistuoja nauji fermentai ir metaboliniai keliai, kuriuos būtų galima išnaudoti pramoniniuose procesuose, reikalaujančiuose tvirtų biokatalizatorių, tokių kaip specialių cheminių medžiagų sintezė arba pavojingų medžiagų detoksikacija. Unikalių fermentų atradimas iš zixibakterijų galėtų taip pat prisidėti prie naujų įrankių kūrimo sintetiniuose biologijos ir metabolinėse inžinerijose.
Nepaisant šių perspektyvių galimybių, zixibakterijų kultivavimas laboratorinėse sąlygose išlieka iššūkis, ribojantis tiesioginę eksperimentinę patvirtinimą jų biotechnologiniam potencialui. Tačiau pažanga metagenomikoje ir vieno ląstelių genomikoje leidžia tyrėjams rekonstruoti metabolinius kelius ir identifikuoti kandidatus genus heterologiniam ekspresavimui modeliuose organizmuose. Tolesni zixibakterijų funkcinės repertuaro tyrimai gali atskleisti naujas sprendimų idėjas tvariems pramoniniams procesams ir aplinkos valdymui (Nature Publishing Group, Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras).
Iššūkiai auginant ir tiriant
Zixibakterijos, kaip kandidatinės phylos (CPR) narys, sukelia reikšmingus iššūkius kultivavimui ir tyrimui dėl jų unikalių fiziologinių ir ekologinių savybių. Vienas iš pagrindinių kliūčių yra jų akivaizdi priklausomybė nuo sintrifinių santykių su kitais mikroorganizmais, kas apsunkina pastangas jas auginti izoliuotai naudojant standartinius laboratorinius maistingus. Jų genai dažnai neturi visiškų kelių esminėms biosintetinėms procesams, kas rodo priklausomybę nuo išorinių šaltinių, kad gautų pagrindinius metabolitus ir maisto medžiagas. Ši metabolinė priklausomybė apsunkina tiksliai atkurti aplinkos sąlygas, reikalingas jų išgyvenimui ir proliferacijai in vitro Nature Publishing Group.
Be to, zixibakterijos paprastai randamos mažame kiekyje sudėtingose mikrobinėse bendruomenėse, tokiuose kaip povandeninis vanduo, nuosėdos ir povandeninės aplinkos. Jų retos atvejai ir išskirtinių morfologinių bruožų trūkumas apsunkina jų aptikimą ir izoliuotą naudojant tradicines mikrobiologines technikas. Pažanga metagenominio sekimo leidžia tyrėjams rekonstruoti zixibakterijų genus tiesiogiai iš aplinkos mėginių, apeinant kultivavimo poreikį. Tačiau šis požiūris suteikia ribotus duomenis apie jų fiziologiją, ekologinius vaidmenis ir sąveikas su kitais organizmais Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras.
Pastangos kultivuoti zixibakterijas taip pat komplikuojamos dėl jų lėtos augimo greičio ir jautrumo aplinkos parametrų, tokių kaip pH, temperatūra ir maisto medžiagų prieinamumas, pokyčiams. Dėl to dauguma žinių apie zixibakterijas gaunama iš genomo ir bioinformatikos analizės, o ne iš tiesioginių eksperimentinių stebėjimų. Išeiti iš šių iššūkių reikės inovatyvių bendro kultivavimo strategijų ir naujų kultivavimo metodų, pritaikytų prie unikalių CPR bakterijų reikalavimų Elsevier.
Būsimos tyrimų kryptys ir neatsakyti klausimai
Nepaisant nesenų pažangų nustatant ir genomine charakterizuojant zixibakterijas, dauguma jų biologijos, ekologijos ir evoliucijos svarbos aspektų lieka prasčiau suprasti. Būsimos tyrimų kryptys turėtų prioritetą teikti zixibakterijų kultivavimui laboratorinėse sąlygose, kadangi didžioji dalis dabartinių žinių gauta iš metagenominių duomenų ir vieno ląstelių genomikinių tyrimų. Sėkminga izoliacija leistų tiesiogines fiziologines ir metabolines studijas, paaiškindama jų vaidmenis biogeocheminiuose cikluose, ypač anglies ir sieros transformacijose anoksinėse aplinkose.
Kita svarbi ateities tyrimų sritis yra zixibakterijų ekologinis pasiskirstymas ir funkcinė įvairovė įvairiuose buveinėse. Nors jos buvo aptiktos įvairiose aplinkose, tokiuose kaip aquiferai, jūros nuosėdos ir užterštos vietos, faktoriai, lemiantys jų gausą, bendruomenės sąveikas ir nišos specializaciją, didžiąja dalimi liko nežinomi. Pažangūs metodai, tokie kaip stabilių izotopų tyrimai ir metatranskriptomika, gali padėti išaiškinti jų in situ veiklą ir sąveikas su kitais mikroorganizmais.
Neatsakyti klausimai taip pat išlieka dėl zixibakterijų evoliucinių kilmių ir ryšių plačiame bakterijų domeno. Jų vieta kandidatinėse phyloms (CPR) rodo unikalią evoliuciją, tačiau į kultivuojamus atstovus ir ribotus genomo duomenis trukdo tvirtą filogenetinę analizę. Lyginamoji genomo analizė ir išplėsta aplinkos mėginių ėmimas gali atskleisti naujas linijas ir apšviesti evoliucinius spaudimus, formuojančius jų genomas ir gyvenimo būdą.
Galiausiai, zixibakterijų potencialios biotechnologinės taikymo galimybės, tokios kaip jų panaudojimas bioremediacijoje ar naujų metabolinių kelių atskleidimas, išlieka spekuliatyvios. Tikslingi tyrimai apie jų metabolines galimybes ir atsparumą ekstremalioms aplinkoms gali atskleisti vertingus bruožus taikomosioms mokslams. Tolesni tarpdalykiai pastangos bus būtinos norint įveikti šiuos žinių spragas ir visiškai suprasti zixibakterijų reikšmę mikrobinėje ekologijoje ir evoliucijoje (Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras).
Šaltiniai ir nuorodos
