חקירת הקהילה חיידקים במעי האחורי הטרמיטים - ראיון

אז טרמיטים בחיידקי המעיים שלהם הם דוגמה לסימביוזה הדדית מרתקת ומורכבת מאוד. לכן אני מעוניין לחקור טרמיטים במיקרובים אלה כדי להבין טוב יותר את כל התפקידים השונים, המרכיבים השונים ממלאים כשהם מפרקים ליגנוצלולוז ממקור מזון מורכב מאוד למוצרים שגם החרק וגם החיידקים יכולים להשתמש בהם. אני ג'ארד לדבטר.

אני פרופסור חבר למיקרוביולוגיה סביבתית במכון הטכנולוגי של קליפורניה, ואני משתתף בתוכנית שלנו למדע והנדסה סביבתית. אני עובד בקלטק כבר שש וחצי שנים, אבל ב-17 השנים האחרונות תחומי המחקר העיקריים שלי היו בחקר קהילות המיקרוביולוגיה המיקרוביאליות, השוכנות במעיים האחוריים של טרמיטים מגוונים. מאז שנתקלתי לראשונה במיקרוביולוגיה של מעיים של טרמיטים כסטודנט בקורס הקיץ של מגוון מיקרוביאלי, שנלמד בוודס הול, מסצ'וסטס, התעניינתי מאוד בזהות ובתפקוד של מיני מיקרואורגניזמים שונים שחיים במעיים האחוריים של טרמיטים.

קהילות המעי האחורי של טרמיטים מורכבות מכ-250 מינים מיקרוביאליים ייחודיים, המייצגים את כל שלושת תחומי החיים. אתה יכול לזהות ArcHa מטגני, תאית אנאירובית, פרוטוזואה מתפרקת, איקריוטים חד-תאיים, ומגוון רחב של חיידקים כולל הרבה מאוד מינים חדשים של קבוצת חיידקים הנקראים ספירוכטים. למרות שישנם כ-250 מינים שונים שחיים בטרמיטים והם לא נמצאים בשום מקום אחר בטבע, אפילו לאחר כמאה שנות מחקר, יש לנו הבנה גרועה מאוד של מה התפקיד של כל המיקרובים השונים הללו במה שבסך הכל הוא סימביוזה הדדית מרתקת מאוד המתרחשת בין החרק המארח לבין הקהילה המיקרוביאלית, אשר יחד מפרקים את תאית Li למוצרים שלמעשה מזינים את חילוף החומרים הן של החרק המארח והן של החיידקים השונים הללו.

אז ב-16 השנים האחרונות, 17 השנים האחרונות, התעניינתי מאוד בזיהוי מי הם המינים האלה ומה הם עושים? כיצד המינים האלה מתקשרים זה עם זה במעי האחורי, ומה התועלת שלהם למארח? אז טרמיטים בחיידקי המעיים שלהם הם דוגמה לסימביוזה הדדית מרתקת ומורכבת מאוד.

לכן אני מעוניין לחקור טרמיטים במיקרובים אלה כדי להבין טוב יותר את כל התפקידים השונים, המרכיבים השונים ממלאים כשהם מפרקים ליגנוצלולוז ממקור מזון מורכב מאוד למוצרים שגם החרק וגם החיידקים יכולים להשתמש בהם. סיבה נוספת לחקר טרמיטים בחיידקי המעיים שלהם היא שטרמיטים הם קבוצה חשובה מאוד של בעלי חיים הממלאים תפקידים קריטיים וחשובים מאוד במחזורי הפחמן והחנקן העולמיים באזורים הטרופיים והסובטרופיים טרמיטים מגוונים ביותר. כלומר, יש הרבה מאוד מיני טרמיטים שונים והם מאוד מאוד נפוצים.

וכדוגמה אחת למידת ההצלחה של החרקים האלה, הם מקורות קטנים אך משמעותיים ל-CO2 ולמתאן עולמי. בזכות כמות העץ שהם המירו למוצרים אלה, הטרמיטים תורמים כ-2% מה-CO2 העולמי וכ-4% מהמתאן העולמי, וזה למעשה די משמעותי עבור כל קבוצה אחת של בעלי חיים. לכן, על ידי חקר המיקרובים בפעילותם בחרקים האלה, אנו מבינים טוב יותר את החרקים האלה ואת הבסיס להצלחתם ברחבי העולם.

חקר הטרמיטים בחיידקי המעיים שלהם מעניין גם מנקודת מבט של קנה מידה ושחזור. וברמות מסוימות אני חוקר טרמיטים בחיידקי המעיים שלהם מכיוון שזו סביבה מאוד מרגשת ומורכבת. אבל הסביבה של המעי האחורי, המערכת האקולוגית הזו של המעי האחורי שונה מאוד מסביבות רבות אחרות.

המעי האחורי של הטרמיטים קטן מאוד, בערך מיקרוליטר אחד בנפח, והוא תחום היטב במובן זה שהוא מרופד על ידי אפיתל המעי או על ידי החרק עצמו. אבל אנחנו יכולים להגדיר באופן קונקרטי מאוד מהם הגבולות של אותה סביבה. והסביבה קטנה מאוד ואנחנו יכולים לאסוף קופסה של טרמיטים ויש לנו 200 טרמיטים, ובממוצע יש לנו את אותה סביבה משוכפלת שוב ושוב ושוב.

אם משווים את סביבת המעיים של הטרמיטים לים סרגסו, ים סרגסו הוא ענק ועצום. רוחבו אלף קילומטרים. גבולותיה מוגדרים, אך אולי רק מבצעית.

זה לא גבול ברור לים סרגסו ויש רק אחד מהם. לכן אנו יכולים ללמוד הרבה על מדעי הים באמצעות חקר ים סרגסו, וחשוב מאוד לחקור את ים סרגסו. אבל יש סיבוכים מסוימים שאתה צריך להיות מסוגל לעלות על סירה ולהגיע לשם.

אם יש לכם ממצא על חלק מהמיקרואורגניזמים שם, ייתכן שלא תדעו היכן המיקרובים האלה נמצאים בנקודת זמן מסוימת והם יכולים להיות שונים במיקומם בקילומטרים, וכמובן שיש רק אחד מהם. אז קשה לחקור את ים הסרגסו ולהפריע לו בדרך כלשהי ולקבל ים סרגסו בקרה כדי להשוות אותו. אז על ידי חקר חיידקי המעיים שלהם, יש לנו למעשה דוגמה לסביבה מאוד שמתאימה לטכניקות מעבדה.

אנחנו יכולים לשחזר את הסביבה הזו, אנחנו יכולים להפריע לה ולהשוות אותה לקבוצות ביקורת. ואנחנו תמיד יודעים בטווח של מילימטר היכן כל הקבוצות המיקרוביאליות השונות והמינים המיקרוביאליים הללו מתקשרים, הם מתקשרים עם זה בסביבת המעיים המיקרו-ליטרית הזו. לכן, במעבדה שלי, אנו אוהבים לחקור את הקהילה המיקרוביאלית הזו באמצעות כל טכניקה זמינה שעשויה לסייע לנו לחשוף את הסודות של הקהילה הזו.

אין ספק שהיבט אחד של זה היה לנסות לגדל מינים שחיים באותה קהילה מיקרוביאלית. במבחנה במעבדה 250 מינים הם מורכבים מאוד ויש בהירות חסרת תקדים לפרשנות המחקר אם אתה יכול לחקור תרבית טהורה של חיידק. חלק מהמאמצים שלנו התמקדו בכניסה לקהילת המעיים הזו וניסיון לטפח ולגדל מינים בודדים מהקהילה הזו ואז ללמוד את הפיזיולוגיה והגנטיקה והגנומיקה של המינים האלה בפירוט ואז לנסות לשקף בחזרה את מה שאנחנו מאמינים שזה אומר על התפקוד של המין הזה באותה קהילה.

דוגמה לכך היא המחקר שלנו על מעיים של טרמיטים. Spiro keets, Spiro keets הם אורגניזמים בצורת ספירלה, הנמצאים בשפע כמעט בכל הטרמיטים. בטרמיטים יש לך ספירוכטים, שלמעשה קשורים באופן הדוק למדי לגורם של גורם העגבת, אבל בכל הטרמיטים הבריאים אתה רואה את ה-SPI Keets הזה.

וכך במשך הרבה מאוד שנים ידענו שה-spi keets האלה הם כנראה סימביאנס שעושה משהו חיובי עבור המארח, אבל לא ידענו מה הם עושים. אז לפני כ-10 שנים, הצלחתי לגדל כמה מהקיטים האלה במבחנה ועכשיו אנחנו יכולים לחקור את ה-SPI האלה ולמדנו הרבה על הפיזיולוגיה שלהם ומה הספירושטים האלה כנראה עושים בסביבה. לפני פרק הזמן הזה, לא היה לנו מושג מה הספירוכטים האלה עושים בסביבתם.

וכך גילינו תגליות רבות המבוססות על תרבות טהורה על ידי חקר התרבויות הטהורות הללו. אנו גם משתמשים בשיטות מבוססות גנים כדי לחקור את הקהילה המיקרוביאלית הזו. יכול להיות סוג גן מסוים שמייצג פיזיולוגיה מסוימת, ואנחנו יכולים להיכנס לקהילה הזו ולהתחיל לשאול כמה וריאציות של הגן הזה קיימות ומי הם האורגניזמים שמקודדים את הגנים המרכזיים האלה?

וכדי שנוכל להתחיל לנתח מבחינה תפקודית את מה שמתרחש במעי האחורי הזה על ידי חקר מגוון הגנים המעורבים במטבוליזם של חנקן והיבטים מרכזיים של מטבוליזם פחמן, אנו יכולים גם להשתמש במנגנונים מבוססי גנים או בגישות מבוססות גנים כדי להעריך את מגוון האורגניזמים בטרמיטים. אנו יכולים להשתמש בגנים של RNA ריבוזומלי כגנים סמנים או כברקודים כדי להעריך באמת כמה מינים קיימים בקהילה הזו ואולי באיזה שפע וכיצד התרבויות הטהורות שלנו משקפות את המגוון הזה. לכן אנו משתמשים במספר טכניקות מבוססות גנים במעבדה שלי.

עסקנו גם במטאגנומיקה, שם התענייננו בחקר כל תוכן הגנום של המערכת האקולוגית המיקרוביאלית הזו כדי לנסות לקבל מושג על כל חילוף החומרים השונים שמתרחשים בקהילה הזו. אז במעבדה שלי אנחנו חוקרים תרביות טהורות. אנו משתמשים בטכניקות מבוססות גנים המופעלות על ידי PCR, אנו משתמשים במטאגנומיקה, אנו מסתכלים על פעילויות, פעילויות אנזימטיות הקיימות במעי הין זה.

ואנו גם משתמשים במיקרוסקופיה כדי לנסות וללמוד היכן ממוקמים אורגניזמים במעיים ועם אילו תאים אחרים הם מתקשרים. בסך הכל, מה שאנו רוצים לעשות הוא להבין כמה מינים נמצאים במעי האחורי, מה הם כולם עושים וכיצד כולם מתקשרים זה עם זה? ישנם מספר אתגרים לחקר קהילות מיקרוביאליות הנבדלות מקהילות אחרות בטבע.

אתם יודעים, זה יחסית פשוט לצאת לטיול ביער או בסוואנה ולהתבונן במינים השונים של צמחים ובעלי חיים שאתם פוגשים במהלך ההליכה שלכם. ובוודאי באקולוגיה של הקהילה פותחו שיטות רבות וגישות רבות שננקטו במהלך מאה השנים האחרונות כדי להתחיל לשאול שאלות על כמה מינים של צמח, בעל חיים נמצאים בקהילה מסוימת ובאיזו תדירות אתה נתקל בהם באותה קהילה. ואז למעשה להתבונן בחלק מהאורגניזמים האלה בקהילה שלהם לאורך זמן ולראות איזה סוג של הסתגלות יש להם לסוג של דינמיקה סביבתית ועלבונות סביבתיים שהם מתמודדים איתם.

אתם יודעים, אתם יכולים לצפות בפיל או באריה בסוואנה ולראות חלק מההתנהגות שלהם בהסתגלות שלהם ואיך הם רוכשים את האנרגיה שלהם, את המזון שלהם ואיך הם מתקשרים אחד עם השני. כל אלה פשוטים למדי לצפייה כאשר אתם חוקרים חיידקים, אורגניזמים שאתם יכולים לראות בעינכם. זה גם די פשוט להבדיל אם אתה מתמודד עם צמח או בעל חיים.

אני לא מתכוון למונחים של מינים, אלא במונחים של מה שהם עושים. אתה יכול להסתכל על אורגניזם ואתה יכול לומר כמעט בוודאות שזה פוטו-טר, זה אורגניזם שסופג את קרינת השמש והופך את האנרגיה הזו למשהו שימושי. או שאני מסתכל על חיה מתווכת ושהחיה הזו משתמשת בעיקר בחלבון כמקור האנרגיה שלה.

אז יש מספר תצפיות שאתה יכול לעשות כשאתה הולך ברחבי קהילת הוואנה או קהילת יער. הרבה יותר קשה להסיק תצפיות ומסקנות כאלה כשחוקרים קהילות מיקרוביאליות. האורגניזמים קטנים ולא תמיד ברור אפילו אם יש לך מיקרוסקופ טוב מאוד, מה, איך אורגניזמים שונים שונים זה מזה.

כלומר, אם אתם מסתכלים על קהילה מיקרוביאלית כשלעצמה, ייתכן שיהיה קשה מאוד לומר כמה מינים יש ומה התפוצה היחסית שלהם. ייתכן גם שיהיה קשה מאוד להסתכל על הקהילה המיקרוביאלית הזו באמצעות מיקרוסקופ ולענות על השאלה, מה האורגניזמים האלה עושים? לכן אתגר מרכזי בקהילות מיקרוביאליות הוא לברר מי נמצא שם ומה הם עושים.

ולכן עלינו להשתמש בטכניקות שונות בחקר קהילות מיקרוביאליות כדי לחלץ מידע מהקהילה הזו על מי נמצא שם, מי פעיל, מה האורגניזמים האלה עושים, וכיצד הם מגיבים ומה ההסתגלות שלהם לשינויים בסביבתם. מאז שהתחלתי להתעניין לראשונה בחקר קהילות חיידקי המעיים של טרמיטים לפני 17 שנים, ממש בסביבות 1990, היו מספר התקדמות טכנולוגית בתחום שלי בכללותו, שבאמת אפשרו לי ולאחרים ללמוד הרבה יותר על קהילות מיקרוביאליות ובמיוחד על קהילות מעיים של טרמיטים. במידה רבה, מדובר בטכניקות מבוססות גנים.

כשהתחלתי לחקור טרמיטים, אפשר היה להשתמש במיקרוסקופיה, אפשר היה להסתכל על קהילה מיקרוביאלית כמו הטרמיט ויכולת להעריך צורות שונות שקיימות בקהילה הזו ולקבל הערכה של כמה מינים שונים היו נוכחים באותה קהילה. אבל במהלך 15 או 17 השנים האחרונות, כל כך הרבה טכניקות מבוססות גנים הפכו לזמינות וכל כך הרבה טכניקות גנומיקה הפכו לזמינות, שהיכולת שלנו, לחלץ מידע מקהילות מיקרוביאליות כמו המעי האחורי של הטרמיטים, השתנתה במהירות רבה. כעת אנו יכולים להשתמש בגנים כסמני ברקוד כדי לזהות אורגניזמים וסביבות שונות.

אנו יכולים להיכנס לקהילה מיקרוביאלית כמו מעי אחורי של טרמיטים ולברר כמה מינים שונים נוכחים באמצעות גנים מסוימים כפרוקסי של המגוון הזה. ואנחנו יכולים להשתמש בגן הזה כברקוד כדי לעקוב אם יש לנו את האורגניזמים האלה בתרבית או לא, או להשתמש בברקוד הזה כדי לעקוב אחר תנודות בשפע של מינים שונים באותה קהילה. באמצעות טכניקות אחרות מבוססות גנים, אנו יכולים לשאול, אה, האם הגנים המקודדים אנזימים לפרט זה קיימים בקהילה זו?

וכמה וריאציות, אז כמה מינים של אורגניזמים יש שמזרזים את זה והאם יש לנו את האורגניזמים והתרבות האלה? אז היו מספר גישות המופעלות על ידי גנים ותגובת שרשרת פולימראז PCR לחקר קהילות מיקרוביאליות, ששינו באופן קיצוני את האופן שבו אנו מבינים קהילות מיקרוביאליות. וכל השינויים הללו באו לידי ביטוי במהלך 20 השנים האחרונות.

חקר הטרמיטים וחיידקי המעיים שלהם מעניין, הן ברמת המחקר הבסיסי או המחקר האקדמי והן ברמת המחקר הביו-טכנולוגי והיישומי. טרמיטים אוכלים ומשחיתים עץ. ובשבילי חשוב מאוד לנסות ולהבין באילו מנגנונים הטרמיטים במעיים שלהם תוקפים למעשה עץ, שהוא למעשה החומר המרוכב הראשון של הטבע.

זה מרוכב תלת למינציה וזה, זה חומר קשה. ולהבין באמת כיצד החרק הזה במעיים שלו מפרק את החומר המרוכב הזה ואז מפרק את כל מרכיביו לתוצרים שיכולים להיות מנוצלים כדלק גם על ידי החרק. והמיקרובים האלה מרתקים מאוד בעיני, אבל יש להם גם רלוונטיות בסיסית לביוטכנולוגיה ולתעשייה.

כחברה, אנחנו באמת לא מבינים לגמרי. אנחנו באמת לא מבינים בכלל איך עץ מתפרק למשהו. ויש עניין רב בימינו, בהגעה להבנה טובה יותר של איך ליגנוצלולוז צמחי, קליפות אורז, קלחי תירס, שאריות קנה סוכר לאחר שאתה סוחט את הסוכר.

יש עניין רב בהבנה כיצד אנו יכולים לקחת סחורות תאית ליגנין בעלות ערך נמוך ולהפוך אותן למשהו בעל ערך גבוה יותר אתנול, מימן, מתאן, כל מוצר אחר. מה שבאמת חשוב לחשוב עליו הוא שהטרמיטים מפרקים עץ תאית ליוס כל הזמן והם הופכים אותו לדלק ביולוגי משלהם ובאופן תעשייתי. יש עניין רב בהבנת האנזימים המעורבים בהתקפה הראשונית על העץ.

ואולי אז אפשר לקחת את האנזימים האלה ולחבר אותם, לחבר אותם לתהליכים אחרים במורד הזרם כדי להגיע לתהליך חדש שהוא שונה ממה שקורה בתעשייה עכשיו ושהוא שונה ממה שקורה בטבע עכשיו, אבל באמת מוציא את הטוב ביותר מהטוב ביותר כדי להמציא משהו חדש, המרת עץ למוצר מעניין. אתנול או מימן או מתאן או כל דבר אחר באמת במעבדה שלי מעוניין בעיקר בהשגת הבנה בסיסית של הקהילה המיקרוביאלית הזו. והאינטראקציה שלו עם המארח והתפקיד שהמארח בקהילה המיקרוביאלית ממלאים בפירוק הליגנוצלולוז.

אבל יש עניין רב בניסיון לקחת חלק מהמידע הזה ולנצל אותו בפיתוח תהליכים תעשייתיים חדשים. אני חושב שהיה הרבה דיון על דלקים ביולוגיים בשנתיים האחרונות וזה העלה את תשומת הלב אולי לצורך ואפילו להבטחה של מחקר דלקים ביולוגיים. אבל אני חייב להיות כנה, אני לא חושב שרמת המימון של יוזמות המימון תואמת את העניין שזה קיבל.

אין פרויקט במנהטן לדלקים ביולוגיים. לא הייתה שום השקעה דרמטית בקנה מידה גדול במחקר בסיסי שקשור למחקר של דלק ביולוגי. ומכיוון שההבנה הבסיסית שלנו לגבי פירוק תאית ליוס, היא כל כך גרועה בשלב זה, אני חושב שאם יש לנו יוזמה של דלק ביולוגי, היא חייבת לכלול השקעה ממוקדת בכל הרמות, מחקר אקדמי בסיסי ובסיסי כל הדרך החוצה לתעשייה כדי לאפשר זאת.

ואם אנשים רוצים שזה יקרה בעוד שנתיים, חמש או עשר שנים, נצטרך גם להשקיע כספים כדי שאנשים ישקיעו את זמנם ומאמצים כדי לגרום לזה לקרות. במהלך 20 השנים האחרונות, היכולת שלנו להשתמש בטכניקות מבוססות גנים כדי לחקור קהילות מיקרוביאליות התקדמה כל כך מהר. אני חושב שכולנו יכולים לחלום קצת על מה שיכול לקרות בחמש עד עשר השנים הבאות, ואני חושב שיש סיכוי טוב מאוד שבעוד 10 שנים תהיה לנו היכולת לדעת, לרצף ולנתח את כל הגנום של כל מין ומין.

במעי האחורי של הטרמיטים, יש לפחות 250, ואני חושב שתהיה הזדמנות לקבל את ארון התיוק הזה, אם תרצו, של מידע שבו אנחנו יודעים את תכולת הגנום של כל אחד מהמינים האלה. וזה הולך להיות ממצא דרמטי מאוד מכיוון שרק לפני 10 שנים רצפנו את הגנום של מיקרואורגניזמים מובנים היטב בפעם הראשונה. ובעוד 10 שנים, אני חושב שנוכל להיכנס לקהילות מיקרוביאליות מורכבות ולקבל גישה למידע גנומי של אורגניזמים, שמעולם לא חקרנו בפירוט כלשהו, ונוכל להשתמש בהם כדי למנף מחקרים על האורגניזמים האלה בפעם הראשונה.