Zixibakterijas: Misaigie mikrobi, kas pārveido mūsu izpratni par baktēriju daudzveidību. Atklājiet to slēptās lomas, unikālo genomiku un ietekmi uz vidi.
- Ievads: Kas ir Zixibakterijas?
- Zixibakteriju atklāšana un klasifikācija
- Genomiskās iezīmes un metaboliskais potenciāls
- Ekoloģiskās lomas un vides izplatība
- Iespējamās pielietošanas biotehnoloģijā un nozarē
- Izaicinājumi audzēšanā un pētījumos
- Nākotnes pētniecības virzieni un neatbildētie jautājumi
- Avoti un atsauces
Ievads: Kas ir Zixibakterijas?
Zixibakterijas ir nesen aprakstīta un relatīvi noslēpumaina baktēriju phyla, kas pieder kandidātu phylu radiācijai (CPR), plašai baktēriju grupai, kas galvenokārt zināma no vides DNS sekvencēšanas, nevis kultivācijas. Pirmo reizi identificētas, analizējot metagenomus no gruntsūdeņiem un nogulām, Zixibakterijas kopš tā laika ir atklātas dažādās vidēs, tostarp dziļajās subsurface vidēs, jūras nogulumos un piesārņotās vietās. Šīm baktērijām ir raksturīgi mazi genomi un ierobežotas metabolisma spējas, kas liecina par to atkarību no citiem organismiem vai specifiskām vides nosacījumiem izdzīvošanai. Zixibakteriju atklāšana ir paplašinājusi mūsu izpratni par mikrobu daudzveidību un mikrobu ekosistēmu sarežģītību, jo īpaši vidēs, kas iepriekš tika uzskatītas par mazāk bioloģiski aktīvām. To klātbūtne dažādās un bieži vien ekstremālās dzīvotnēs izceļ to iespējamās ekoloģiskās nozīmes un pielāgošanās spējas. Neskatoties uz to plašo izplatību, par Zixibakterijām joprojām ir daudz nezināma, tostarp to precīzās metabolisma lomas, mijiedarbība ar citām mikroorganismiem un iespējamās pielietošanas biotehnoloģijā vai vides attīrīšanā. Esošie pētījumi, izmantojot metagenomiku un vienas šūnas genomiku, turpina izgaismot šo interesanto baktēriju grupas evolūcijas vēsturi un funkcionālo potenciālu Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs, Nature – ISME žurnāls. Kamēr tiek atgūti un analizēti vairāk genoma, zinātnieki sagaida jaunu bioķīmisko ceļu un ekoloģisko stratēģiju atklāšanu, ko pielieto Zixibakterijas, lai vēl vairāk izgaismotu to lomu globālajos biogeokemociklos.
Zixibakteriju atklāšana un klasifikācija
Zixibakterijas pirmo reizi tika identificētas, veicot metagenomiskās sekvencēšanas centienus, kas mērķē uz dažādām un bieži vien ekstremālām vidēm, piemēram, akviferiem un subsurface nogulām. To atklāšana bija daļa no plašāka iniciatīvas, lai katalogizētu tā saukto “mikrobā gaismas vielu” — mikroorganismi, kas izvairījās no kultivācijas un tradicionālas mikrobioloģiskās izpētes. Sākotnējā Zixibakteriju noteikšana notika 2013. gadā, kad pētnieki rekonstrukcēja to genomus no vides DNS paraugiem, atklājot iepriekš neatzītu baktēriju līniju kandidātu phylu radiācijas grupā Nature.
Taksonomiskā ziņā Zixibakterijas ir klasificētas phyla Zixibacteriota, kas ir daļa no plašākā CPR superphyla. Šī superphyla ietver plašu baktēriju daudzveidību ar maziem genomiem un ierobežotām metabolisma spējām, no kuriem daudzi, domājams, balstās uz simbiotiskām vai sintrofiskām attiecībām ar citām mikroorganismiem. Zixibakteriju klasifikācija ir balstīta galvenokārt uz filogenētiskām analīzēm par 16S rRNA gēna sekvencēm un veselu genomu salīdzinājumiem, jo nav vēl izdalītas pārstāvji tīrā kultūrā Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs.
Zixibakteriju atzīšana kā atsevišķa līnija ir paplašinājusi mūsu izpratni par baktēriju daudzveidību un evolūciju, jo īpaši subsurface un anoksiskajās vidēs. Esošie genoma pētījumi turpina precizēt to klasifikāciju un izgaismot to ekoloģiskās lomas, metabolisma potenciālu un evolūcijas attiecības ar citām CPR baktērijām pašreizējā mikrobioloģijā.
Genomiskās iezīmes un metaboliskais potenciāls
Zixibakterijas, kas ir kandidātu phylu radiācijas (CPR) locekle, ir ar augstu pakāpes gēnu plānam, kas atspoguļo to pielāgošanos specializētiem ekoloģiskiem nišām. Genomiskās analīzes atklāj, ka Zixibakteriju genomi parasti ir mazi, bieži vien mazāki par 2 megabāzēm, un kodē ierobežotu metabolisma ceļu kopumu. Īpaši, šīm baktērijām trūkst daudzi gēni, kas saistīti ar būtisku šūnu komponentu biosintēzi, tādiem kā noteiktas aminoskābes un vitamīni, kas norāda uz atkarību no vides avotiem vai sintrofiskām attiecībām ar citām mikroorganismiem attiecībā uz šiem barības vielām Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs.
Metaboliski, Zixibakterijas tiek prognozētas kā anaerobas, un genomiskie pierādījumi atbalsta fermentatīvu ceļu klātbūtni. To genomi kodē fermentus glikozes sadalīšanai un daļējai trīskarboksilskābes (TCA) cikla aktivitātei, bet bieži vien tiem trūkst pilnīgu elektronu transporta ķēžu, norādot uz ierobežotu elpošanas spēju. Dažām Zixibakterijām ir gēni, kas kodē vodīna un formāta dehidrogenāzi, kas norāda uz potenciālajām loma vodīna un formāta metabolismā, kas varētu veicināt enerģijas saglabāšanu anoksiskajās vidēs Nature – ISME žurnāls.
Turklāt Zixibakteriju genomi bieži satur gēnus transportieriem un enzimātiem, kas iesaistīti sarežģītu organisko savienojumu uzņemšanā un degradācijā, piemēram, ogļhidrātiem un peptīdiem. Tas atbalsta hipotēzi, ka tās piedalās organisko vielu sadalē mikrobu kopienās. Samazinātas biosintēzes spējas un specializēti metabolisma funkcijas akcentē Zixibakteriju ekoloģisko nozīmi kā barības vielu cikla dalībniekiem dažādās vidēs pašreizējā mikrobioloģijā.
Ekoloģiskās lomas un vides izplatība
Zixibakterijas, kas ir kandidātu phylu radiācijas (CPR) locekle, piesaista uzmanību ar savu plašo, taču šifrēto klātbūtni dažādās vidēs. Metagenomiskās aptaujas ir atklājušas, ka Zixibakterijas ir globāli izplatītas, apdzīvojot dažādas ekosistēmas, tostarp gruntsūdeņus, jūras nogulumus, augsnes un pat ekstremālās vidēs, piemēram, dziļās subsurface ūdenstilpes un hidrotermālās avotus. To noteikšana gan oksiskajās, gan anoksiskajās vidēs norāda uz ievērojamu ekoloģisku universālismu Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs.
Ekoloģiski Zixibakterijas tiek uzskatītas par būtiskām biogeokemociklu procesos, īpaši ogļūdeņražu un sēra ciklos. Genomiskās analīzes norāda, ka daudzām Zixibakterijām ir gēni fermentācijai un anaerobai elpošanai, liecinot par to iesaistīšanos organisko vielu degradācijā zema skābekļa apstākļos. Dažas līnijas var arī piedalīties sintrofiskajās attiecībās, paļaujoties uz metabolisma mijiedarbību ar citām mikroorganismiem, lai pabeigtu enerģiju ražojošos procesus Nature – ISME žurnāls.
Neskatoties uz to bagātību, Zixibakterijas paliek lielā mērā nekultivētas, un to precīzās ekoloģiskās funkcijas tiek secinātas galvenokārt no metagenomiskajiem un vienas šūnas genoma datiem. To mazie genomi un ierobežotās biosintēzes spējas liecina par atkarību no vides vai saimnieka iegūtiem barības avotiem, tādējādi vēl vairāk atbalstot hipotēzi, ka tās aizņem specializētas ekoloģiskās nišas. Esošie pētījumi mērķē uz to lomu skaidrošanu ekosistēmu darbībā un to potenciālajām mijiedarbībām ar citiem mikrobu kopienas locekļiem pašreizējā mikrobioloģijā.
Iespējamās pielietošanas biotehnoloģijā un nozarē
Zixibakterijas, kas ir kandidātu phylu radiācijas (CPR) locekle, ir piesaistījusi arvien lielāku uzmanību par iespējām pielietot biotehnoloģijā un nozarē, pateicoties to unikālajām metabolisma spējām un ekoloģiskajām lomām. Genomiskās analīzes norāda, ka Zixibakterijām ir gēni, kas iesaistīti sarežģītu organisko savienojumu degradācijā, tostarp aromātiskajos ogļūdeņražos un polisaharīdos, kas ir nozīmīgas bioremediatīvajos un atkritumu apsaimniekošanas procesos. To spēja piedalīties recalcitrantu materiālu sadalē var tikt izmantota, lai uzlabotu rūpnieciskās notekūdeņu apstrādes efektivitāti vai lauksaimniecības atliekumu biokonversiju vērtībai pievienotajos produktos.
Turklāt Zixibakterijas bieži sastopamas vidēs ar ierobežotām barības vielām un ekstremālām dzīvesvides apstākļiem, piemēram, dziļās subsurface nogulās un piesārņotajos akviferos. Šī izturība norāda uz jaunu enzīmu un metabolisma ceļu klātbūtni, ko varētu izmantot rūpnieciskajos procesos, kuriem nepieciešami izturīgi biokatalizatori, piemēram, specializētu ķīmisku vielu sintēzē vai bīstamo vielu detoksikācijā. Unikālo enzīmu atklāšana no Zixibakterijām var arī dot ieguldījumu jaunu rīku izstrādē sintētiskajā bioloģijā un metabolisma inženierijā.
Neskatoties uz šiem solīgajiem priekšlikumiem, Zixibakteriju kultivācija laboratorijas apstākļos paliek izaicinājums, ierobežojot tiešo eksperimentālo apstiprinājumu par to biotehnoloģisko potenciālu. Tomēr, progress metagenomikā un vienas šūnas genomikā ļauj pētniekiem rekonstrukcēt metabolisma ceļus un identificēt kandidātu gēnus heterologai ekspresijai modelorganismos. Turpināšanās Zixibakteriju funkcionālā repertuāra pētījums var atklāt jaunas risināšanas iespējas ilgtspējīgām rūpnieciskajām darbībām un vides pārvaldībai (Nature Publishing Group, Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs).
Izaicinājumi audzēšanā un pētījumos
Zixibakterijas, kas ir kandidātu phylu radiācijas (CPR) locekle, rada būtiskus izaicinājumus audzēšanas un pētījumos dēļ to unikālajām fizioloģiskām un ekoloģiskām īpatnībām. Viens no galvenajiem šķēršļiem ir viņu acīmredzamā atkarība no sintrofiskām attiecībām ar citām mikroorganismiem, kas sarežģī centienus augt tās izolācijā, izmantojot standartus laboratorijas barības vielas. To genomi bieži trūkst pilnīgu ceļu būtisku biosintēzes procesu nodrošināšanai, kas liecina par atkarību no ārējiem avotiem būtiskajām metabolīta un barības vielām. Šī metaboliska atkarība apgrūtina precīzu vides nosacījumu rekreāciju, kas nepieciešami to izdzīvošanai un pavairošanai in vitro Nature Publishing Group.
Turklāt Zixibakterijas parasti tiek atrastas zemas abundancēs kompleksās mikrobu kopienās, piemēram, gruntsūdeņos, nogulumos un subsurface vidēs. To retums un acīmredzamā morfoloģisko iezīmju trūkums apgrūtina to noteikšanu un izolāciju, izmantojot tradicionālas mikrobioloģiskas tehnikas. Progresi metagenomiskajā sekvencēšanā ļāvuši pētniekiem rekonstrukcēt Zixibakteriju genoma tieši no vides paraugiem, apejot nepieciešamību pēc kultivācijas. Tomēr šī pieeja sniedz ierobežotu informāciju par to fizioloģiju, ekoloģiskajām lomām un mijiedarbību ar citām organismiem Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs.
Centieni audzēt Zixibakterijas ir vēl sarežģīti ar to lēno augšanas apjomu un jutīgumu pret vides parametru, piemēram, pH, temperatūras un barības vielu pieejamības, izmaiņām. Tāpēc, daudz no tā, kas ir zināms par Zixibakterijām, nāk no genoma un bioinformātikas analīzēm, nevis tiešām eksperimentālām novērošanām. Šo izaicinājumu pārvarēšanai būs nepieciešamas inovatīvas kopējās kultivācijas stratēģijas un jaunu audzēšanas tehniku izstrāde, kas pielāgotas CPR baktēriju unikālajām prasībām Elsevier.
Nākotnes pētniecības virzieni un neatbildētie jautājumi
Neskatoties uz nesenajiem sasniegumiem Zixibakteriju identifikācijā un ģenomu raksturošanā, daudzas to bioloģijas, ekoloģijas un evolūcijas nozīmes aspekti paliek nepietiekami saprotami. Nākotnes pētniecības virzieniem jāprioritizē Zixibakteriju kultivācija laboratorijas apstākļos, jo lielākā daļa pašreizējo zināšanu ir iegūtas no metagenomiskajiem datiem un vienas šūnas genomikas. Sekmīga izolācija ļautu tiešas fizioloģijas un metabolisma pētījumus, precizējot to lomas biogeokemociklos, īpaši ogļūdeņražu un sēra pārveidošanās anoksiskajās vidēs.
Vēl viena būtiska joma nākotnes izpētei ir Zixibakteriju ekoloģiskā izplatība un funkcionālā daudzveidība dažādās dzīvotnēs. Lai gan tās ir atklātas dažādās vidēs, piemēram, akviferos, jūras nogulumos un piesārņotās vietās, faktori, kas nosaka to abundanci, kopienas mijiedarbību un nišas specializāciju, galvenokārt nav zināmi. Progresīvas tehnikas, piemēram, stabilo izotopu pētīšana un metatranskriptomika, var palīdzēt izgaismot to in situ aktivitātes un mijiedarbības ar citām mikroorganismiem.
Neatbildēti jautājumi arī pastāv par Zixibakteriju evolūcijas izcelsmi un attiecībām plašākajā baktēriju domē. To novietojums kandidātu phylu radiācijā (CPR) norāda uz unikālu evolūcijas trajektoriju, taču kultivētu pārstāvju trūkums un ierobežota genoma datu pieejamība apgrūtina robustu filogenētisko analīzi. Salīdzinošā genomika un paplašināta vides apsekošana var atklāt jaunas līnijas un izgaismot evolūcijas spiedienus, kas veido to genomus un dzīvesveidus.
Visbeidzot, Zixibakteriju potenciālās biotehnoloģiskās pielietošanas, piemēram, to izmantošana bioremediacijā vai jauniem metabolisma ceļiem, paliek spekulatīvas. Mērķēta izpēte par to metabolisma spējām un izturību ekstremālās vidēs var atklāt vērtīgas īpašības pielietotajām zinātnēm. Turpmākas starpdisciplināras pūles būs būtiskas, lai aizpildītu šos zināšanu trūkumus un pilnībā izprastu Zixibakteriju nozīmi mikrobu ekoloģijā un evolūcijā (Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs).
Avoti un atsauces
