研究人员证明存在快速的微生物进化爆发

在加拉帕戈斯群岛上发现了十几种雀科，每种都有喙的形状和大小。有些人有坚固的喙裂缝坚果，而其他人有长而细的喙，以手术精确抓住幼虫。所有的雀类都是在很短的时间内从共同的祖先进化而来，这是一种称为自适应辐射的进化过程。尽管这种适应性辐射的爆发对于动物和植物来说是常见的，但直到现在，它仍然难以记录在野外的微生物中。

今天发表在Nature Communications杂志上的一项新研究表明，微生物中存在适应性辐射，该研究由麻省理工学院土木与环境工程系(CEE)的研究人员领导。这一发现预示着可以创造更经济和可再生的生物燃料的新应用，或创新生物医药化学品和产品。

“许多人怀疑它应该在当代环境中成为可能，因为微生物与地球上的生态系统共同进化了数十亿年，因此大多数生态机会都可能被利用，”CEE教授Martin Polz说。“我们证明了适应性辐射确实发生了，并且它们可以导致单个物种迅速多样化为多个不同适应的物种。”

在Polz和Eric Alm，CEE教授和麻省理工学院生物工程系的监督下工作的主要作者包括研究生Philip Arevalo，前博士后Jan-Hendrik Hehemann和博士后Manoshi Datta，所有CEE。其他贡献者包括现任和前任CEE博士后Christopher H. Corzett，Andreas Henschel和前CEE研究生Sarah P. Preheim; 生物工程系的Sonia Timberlake; 和麻省理工学院生物系的Xiaoqian Yu。

微生物适应

“我们能够揭示细菌消耗藻酸盐的不同方式的演变，藻酸盐是海藻中的一种重要碳水化合物，”Hehemann说，他在麻省理工学院土木与环境工程系寻求博士后的任命，正是为了探索微生物如何适应不同的问题。资源利用。

Hehemann现在是德国马克斯普朗克海洋微生物研究所的组长，他是一名生物化学家，也是一名结构生物学家。他发现密切相关的细菌群体具有非常不同的酶组，这表明他们有不同的喂养策略。就像达尔文雀的喙一样，这些酶可以让细菌最有效地消耗从海藻中获取的一小部分资源。

“微生物多样性是如此巨大，这就是为什么它仍然是理解它们如何适应这个世界的一个主要挑战。但是，我们的工作表明资源可能比我们以前认为的更精细的分区，”他说，并补充说： “这可能是为什么有这么多微生物种类的难题的一部分。”Datta通过Arevalo的计算分析帮助弥合了Hehemann的实验室工作，这与她在微生物学和计算生物学专业领域的背景非常吻合。

“该项目独特而有力的一个方面是，我们能够通过观察细菌基因组数据，在实验室中测试它们的代谢能力，然后回到基因组来了解这些特征如何进化，从而产生假设，”她说。

基因转移

在过去的二十年里，研究人员已经能够对细菌基因组进行测序，但现在这个过程已经成为常规，因为成本和分析时间已经从数年和数百万美元大幅下降到现在低于100美元和仅仅几个小时。

Arevalo解释说，研究小组研究了数百种Vibrionaceae菌株，其全基因组经过遗传测序：“我所做的是计算 - 发现微生物如何适应藻类的不同形式，然后观察这些微生物基因的历史。”

通过这一分析，研究人员发现水平基因转移而非点突变是主要的多样化驱动因素。水平基因转移是生物体从其亲本以外的来源(例如，来自邻近细胞或周围环境)接收遗传物质的过程。原则上，这可以通过许多机制发生，并且可以在不密切相关的生物体之间转移基因。

“在细菌中进行基因重复是很常见的，可能是为了能够更快地合成特定的酶，”Polz解释道。“然而，这项研究表明，这些细菌不仅仅复制同一基因组中的一个拷贝，而是通过从一个微生物到另一个微生物的水平基因转移获得相同功能基因的新拷贝。这种分化告诉我们如何在环境中进行选择致力于创造不​​同类型的生物体，这些生物体在降解基质时可以共同作用，也可以在寻求营养时进行竞争。“

Polz补充说，一些“先锋”微生物通过释放酶使​​其更易溶解而部分降解藻类底物，然后其他细菌进入并使其降解更多。

“这需要一个村庄，”他说。

“这篇论文是微生物进化多样化系列研究的一部分，它使Alm和Polz实验室领先于竞争对手，”加拿大达尔豪斯大学的进化微生物学家W. Ford Doolittle教授表示，他没有参与研究。“特别有趣的是它是基因转移，而不是重复，这是一个有效的过程，加强了我们对细菌群落的认识，使其在遗传和代谢水平上具有高度互动性。”