Comunità microbica in natura e laboratorio - Intervista

Mi chiamo Ed DeLong e sono professore al Massachusetts Institute of Technology. Ho un doppio incarico in Ingegneria civile e ambientale e in ingegneria biologica, che può sembrare un mix insolito perché ho i piedi davvero in due posti diversi. Uno degli aspetti della nostra ricerca ha a che fare con l'ambiente e in particolare con i microrganismi, come influenzano l'ambiente, come l'ambiente li influenza, e questa è la parte civile e ambientale, la parte ambientale, del nostro programma.

L'altra cosa che studiamo ha più a che fare con l'ingegneria biologica. Cosa fa ticchettare i microbi? Come sono messi insieme?

In che modo le diverse parti che compongono un microbo, i microbi o le comunità microbiche lavorano insieme in sinergia? Quindi il tipo di alleanza tra questi due campi funziona abbastanza bene. Il mio background specifico è la microbiologia generale, mescolata un po' con l'oceanografia.

Io, ho ottenuto la mia laurea in batteriologia alla UC Davis, la mia laurea. E poi ho ottenuto il mio dottorato di ricerca allo Scripps Institute of Oceanography. Il mio dottorato di ricerca, in realtà biologia marina, se ci credete.

Ed eccomi qui al MIT. Come è successo? Il campo della microbiologia è cambiato molto rapidamente.

E una delle influenze, le grandi influenze su ciò che comprendiamo sui microbi ora sono stati i progressi tecnologici nel campo della genomica. In genere, i microbi, se li guardi al microscopio, sono molto difficili da identificare. Ci sono alcune forme e dimensioni diverse, ma in realtà non ti dicono molto su chi sia quell'organismo o cosa stia facendo.

E così, in genere, i microbiologi erano praticamente relegati a guardare i microbi in laboratorio, il che è stato incredibilmente potente. È una specie di conseguenza della microbiologia medica. Quindi puoi isolare un microbo dall'ambiente, proprio come puoi isolare una sostanza chimica.

E una volta che si ha quel microbo puro, quella specie microbica pura, si può conoscere il suo, il suo fenotipo, le sue caratteristiche, i diversi attributi che gli permettono di funzionare nell'ambiente, e così via. Ci sono due problemi con questo, però, per quanto riguarda la comprensione dell'intero mondo microbico. E, cioè, i microbi in laboratorio non si comportano sempre nello stesso modo in cui potrebbero comportarsi nell'ambiente.

E l'altro problema, che è ancora più grande, è che le specie microbiche, per la maggior parte, sono davvero difficili da addomesticare. Gli zoo microbici che abbiamo in laboratorio in genere rappresentano solo lo 0,1% di ciò che c'è in natura. Quindi c'è una vasta componente del mondo microbico che semplicemente non siamo ancora stati in grado di coltivare in laboratorio, e quindi non la capiamo.

Eppure questo rappresenta la stragrande proporzione della biomassa presente in natura. E ci sono molte ragioni per cui questo è importante. Ma uno dei principali è che i microbi sono i motori, se vogliamo, delle trasformazioni dell'energia e della materia in natura.

Quindi, quindi i flussi di cose come i gas serra di energia attraverso gli ecosistemi sono vasti in proporzione in termini di alcuni di questi gas di cui stiamo parlando. I flussi di gigatonterapia su base annua sono realmente mediati dalle specie microbiche in modo distribuito, sebbene siano molto piccoli. È il potere dei numeri e la natura distribuita del mondo microbico in tutto il nostro pianeta che muove molta massa ed energia.

E questo è un tipo di ragioni convincenti per capire i microbi sul loro territorio, comprenderli in natura. Beh, una volta che la genomica è venuta alla ribalta, è diventato sempre più facile e sempre più economico sequenziare interi genomi microbici. E, naturalmente, questo ha iniziato ad accadere intorno alla metà degli anni Novanta.

E una volta che questo ha iniziato ad accadere, le persone si sono rese conto che si potevano usare quelle stesse tecniche per conoscere le proprietà dei genomi, dei microbi nell'ambiente naturale senza nemmeno doverli coltivare. E questo è un derivato di studi precedenti di Carl sui guai e sul ritmo normale. E a metà degli anni Ottanta, norm pace si rese conto che, ehi, potevo identificare i microbi senza doverli far crescere.

E il modo in cui è stato fatto è stato quello di andare in qualsiasi habitat microbico e isolare la biomassa, e poi estrarre DDNA o RNA da quello e da quegli acidi nucleici. Si potrebbero, ad esempio, sequenziare molecole tassonomicamente informative come gli RNA ribosomiali. Quindi otterresti un elenco di diversi RNA ribosomiali.

Sono quasi come codici a barre per particolari tipi di tassonomia. E si potrebbero identificare i tipi di microbi in ogni particolare habitat. Il limite di questo approccio è che tutto ciò che hai è un gene RN.

Ti dice chi è il micro, ma non ti dice esattamente cosa sta facendo. Quindi, con l'applicazione della genomica, è possibile fare un ulteriore passo avanti, isolare gli acidi nucleici da quasi tutti gli habitat microbici a cui si pensa e utilizzando una varietà di tecniche. Isolare sia i frammenti di genoma di grandi dimensioni, che sono alcuni dei protocolli sperimentali che vi mostreremo oggi.

Oppure puoi far esplodere quel DNA in piccoli pezzi e fare il sequenziamento del fucile. E il modo più semplice per pensarci è che stai ricevendo un elenco di parti dei componenti di tutti i microbi che componevano quella comunità. E, ma questo è un elenco di parti a cui non abbiamo mai avuto accesso prima.

Quindi, da quell'elenco di parti, possiamo in qualche modo deconvoluzione ciò che compone i microbi che sono lì, quali sono alcune delle loro potenziali funzioni. E in realtà quello che finiamo per fare è generare ipotesi che possiamo poi andare a testare usando mezzi biochimici. Fisiologico significa tornare all'ambiente e rintracciare i geni nel, nello spazio e nel tempo.

E l'intera area che si è evoluta, che fonde la genomica con gli approcci ecologici, è stata definita metagenomica o genomica ambientale. E quello che si scopre oggi è che questo tipo di approcci si stanno verificando, in molti habitat diversi, nei suoli, in una sorta di ambienti agricoli nell'oceano. Uno dei primi studi più grandi di questo tipo è stato condotto da Craig Venter nel Mar dei Sargassi e, soprattutto, nel microbioma umano.

La maggior parte delle persone potrebbe non rendersene conto, ma associate al corpo umano ci sono più cellule microbiche che cellule umane. Ci sono circa 10 microbi per il quattordicesimo e solo 10 per il tredicesimo di noi. Quindi, quello che mi piace dire a volte è che Dio deve aver avuto una predilezione smodata per i microbi, perché ce ne sono più di noi che di noi.

Ma questi concetti sono davvero importanti. Pensa a noi. Non siamo mai soli.

Abbiamo sempre con noi una comunità microbica che probabilmente ha molte funzioni diverse. Ci sono prove ora che, in effetti, con alcuni disturbi come l'obesità, la componente microbica può avere una grande influenza su, su, su, fondamentalmente sul fenotipo umano e quanta energia estraiamo o meno dalle nostre fonti di cibo. Quindi siamo un sistema vivente composto non solo da noi, ma dalla simbianza, se volete, che portiamo con noi.

Ciò che questi nuovi approcci che utilizzano la genomica ci permettono di fare è iniziare a sezionare quelle parti del mondo biologico che non siamo stati in grado di guardare prima. E qui, qui sta il loro Potere. Quello che sta succedendo nel campo in questo momento è molto più che raccogliere un elenco di parti, ma si tratta davvero di arrivare all'idea che c'è una vera dinamica in corso.

Inizialmente, quando i genomi hanno iniziato ad essere sequenziati, naturalmente, una singola sequenza di genoma, davvero come un'entità singolare, si ha un ceppo purificato di un microbo, ha un genoma, e si possono determinare, diciamo i 2 milioni di basi, le coppie di basi che compongono quel genoma. E sembra un'entità molto fissa e statica. Quello che scopriamo però, quando andiamo a guardare la natura, è che raramente esiste una cosa come un singolo ceppo di un microbo.

Quando si esaminano queste popolazioni microbiche naturali, quello che si scopre è che c'è un tema, un tema genomico attorno al quale una specie è assemblata, se volete. Ma in ogni popolazione, ci sono molte, molte, molte varianti, molte variazioni su quel tema, molti ceppi. E quello che stiamo iniziando a vedere è che i genomi non sono entità statiche, ma sono in continua evoluzione.

Sono, sono dinamici. E in effetti, lo fanno nelle popolazioni. E quindi si può immaginare che, poiché ci sono sottili variazioni nell'ambiente che potrebbero avere a che fare con i nutrienti o la salinità della temperatura, una certa percentuale di queste varianti nella popolazione può rispondere a quel cambiamento ambientale un po' meglio.

E c'è un cambiamento costante, ma anche loro stanno cambiando. E così la variazione è continuamente fornita dalla deriva neutra e poi agita dalla selezione. E questo dà una visione diversa, una visione più dinamica di ciò che sono i genomi.

Ed è di più, invece di un'immagine statica di un genoma, è più come guardare un film. E una delle cose più potenti di alcuni dei nuovi studi è che stiamo iniziando a mettere insieme i fotogrammi di stop per mettere insieme il quadro cinematografico di come si evolvono i genomi, cosa significa rispetto al fenotipo dell'organismo e la sua risposta all'ambiente e anche l'influenza sull'ambiente. Quindi, questo, questo è davvero molto eccitante perché è una nuova area per la microbiologia, la genetica delle popolazioni, anche se si potrebbe pensare che sarebbe ben sviluppata in microbiologia, in realtà non lo è perché non abbiamo davvero avuto un modo per studiare la genetica delle popolazioni microbiche naturali in modo molto dettagliato.

E, e questa è un'altra componente di questo tipo di ricerca, è che ora possiamo, possiamo approfondire la genetica delle popolazioni e la genomica delle popolazioni per guardare il film. E questo è davvero molto potente e ha molte implicazioni pratiche per ciò che comprendiamo su come i microbi acquisiscono funzioni, come funzioni e proprietà si diffondono tra le comunità. E una delle cose sorprendenti per noi è che cambia un po' la nostra nozione di come, come le proprietà fenotipiche, come le proprietà funzionali potrebbero muoversi tra i microrganismi in biologia, ovviamente la biologia degli organismi sessuali, in genere pensiamo ai tratti che vengono trasmessi da madre a figlia e così via.

E, ed è così che sono le proprietà biologiche, si propagano attraverso quel tipo di trasmissione genetica ereditaria. Il mondo microbico ha una dinamica diversa, però, e stiamo iniziando a vedere che in alcune di queste indagini metagenomiche, che hanno a che fare, hanno a che fare con quello che viene chiamato trasferimento laterale in modo che geni o interi aroni vengano passati da organismi molto diversi e attraverso il processo di trasferimento del DNA, e se quel DNA è espresso nell'organismo ricevente e ha un valore selettivo positivo, Quindi può iniziare a propagarsi tra molti organismi diversi. E lo abbiamo visto di recente usando il tipo di tecniche che stiamo esaminando in laboratorio, come funziona siamo in grado di isolare frammenti di genoma molto grandi da popolazioni microbiche.

E lo facciamo in diversi punti del tempo e dello spazio. In questo caso, quello che siamo stati in grado di fare è isolare grandi porzioni di genomi lungo un gradiente di energia, il gradiente di luce che penetra nell'oceano. E questo è un gradiente molto ben definito nei luoghi che studiamo in oceano aperto.

La zona pho è in realtà piuttosto profonda. Si estende fino a 200 metri sotto il mare, superficie del mare. E l'energia ovviamente cambia in qualità e quantità.

Man mano che la luce si attenua, diventa sempre più blu man mano che si va in profondità, in modo che ci sia solo una gamma più ristretta di lunghezze d'onda disponibili per gli organismi che vivono in profondità. E anche l'energia della luce è inferiore. Quindi si può iniziare a guardare come gli organismi che usano la luce potrebbero adattarsi e cambiare lungo quella funzione del gradiente di energia, diversa qualità e quantità di luce.

La cosa interessante è che è possibile tracciare particolari geni e i tipi di microrganismi a cui sono associati lungo questi gradienti di luce. E per farla breve, quello che abbiamo scoperto è che alcuni particolari geni coinvolti nella raccolta dell'energia luminosa che sono chiamati dosine a bastoncello, sono così facili da esprimere e richiedere. Così pochi geni fanno il sistema fotografico che hanno saltato in mezzo a tutti i diversi tipi di microbi.

E la ragione per cui possiamo dirlo è che abbiamo isolato frammenti di genoma da gruppi conosciuti molto diversi come i batteri di ArcHa. E troviamo lo stesso sistema fotografico con proprietà quasi identiche. In questo modo è possibile tracciare queste porzioni di geni funzionali mentre si spostano tra gli organismi nell'ambiente.

Non si tratta solo di mappare i geni sugli organismi, ma anche di mappare quei geni lungo il gradiente ambientale. Quindi l'altra cosa che osserviamo osservando questi grandi frammenti di genoma che contengono questi sistemi fotografici è che sono abbastanza abbondanti nella zona fotografica da profondità di circa zero metri a 130 metri. Ma si scende alla base della zona fotografica e appena sotto di essa, quei geni scompaiono.

Sono scomparsi anche se gli stessi organismi esistono più in profondità. E ciò che ci mostra è che in assenza di selezione, cioè in assenza di luce, che permette a questi geni di funzionare, si perdono tra tutti i diversi tipi di organismi in funzione della profondità. Quindi il motivo per cui è interessante, beh, prima di tutto, ci parla di un particolare meccanismo di generazione di energia che utilizza la luce, dove si trova nell'ambiente e come è distribuita tra gli organismi e la dinamica che la muove.

Ma è anche in generale interessante, un nuovo modo di pensare a come mappare i geni e i genomi, non solo sugli organismi, ma dove questi organismi si trovano nel tempo e nello spazio e dove quei geni si trovano nel tempo e nello spazio e dove si trova l'intersezione. Stiamo solo iniziando a imparare come farlo. Questo era un esempio di un solo insieme di geni.

Ma si potrebbe fare la domanda generale, beh, quante categorie di questi geni cosmopoliti che amano muoversi molto, ci sono, non sappiamo la risposta a questa domanda in un dato habitat e quanto sia comune, quali sono i meccanismi per spostare quei geni. C'è DNA libero nell'ambiente? È il virus che sta propagando i geni da un organismo all'altro?

Queste sono tutte cose che sono in gran parte sconosciute, ma che ora sono accessibili utilizzando questo tipo di tecniche di mappatura dei geni sugli organismi presenti in natura, mappando quegli organismi sull'ambiente e comprendendo la loro variabilità. Quindi è un, è, è davvero un, un nuovo momento per la microbiologia e abbiamo un nuovo accesso all'osservazione delle dinamiche genomiche nell'ambiente e, e questo ci ha davvero messo in una nuova posizione per capire meglio come funziona davvero il mondo microbico in natura. Una delle sfide Naturalmente, e questa è una sfida sia per le scienze ambientali, sia per la scienza biomedica, è quella di acquisire tutti i giusti tipi di dati.

E in questo caso mi riferisco ai metadati, i metadati ovviamente sono dati sui dati. Se pensate all'esempio che ho fatto nell'oceano, ci sono un certo numero di cose che volete sapere. Si vuole sapere cos'è la radianza spettrale, come, come, qual è il flusso di fotoni, quali sono le lunghezze d'onda della luce che passa, qual era la temperatura di quell'acqua, la salinità, la pressione, perché ognuna di queste variabili ha conseguenze importanti rispetto a come si evolvono gli organismi.

Quindi, oltre a ottenere dati sui genomi e sugli organismi, abbiamo bisogno di ottenere dati abbastanza ricchi sull'ambiente che possiamo confrontare con altri tempi, altri luoghi, dati di altri ricercatori. E mentre gli scienziati ambientali hanno lavorato con set di dati come questo per molto tempo, questa fusione tra bioinformatica e genomica e scienze ambientali è piuttosto nuova. E i database così come esistono in questo momento non sono necessariamente pronti ad accogliere tali dati.

E quindi c'è un po' di evoluzione in corso in questo momento, direi sia dal punto di vista ambientale che, dato che sono un oceanografo, biologo marino, dal punto di vista dell'oceanografia che cerca di dialogare con persone che si occupano di genomica e bioinformatica e viceversa. Posso farvi un esempio. Sono coinvolto in un centro di scienza e tecnologia della NSF chiamato Center for Microbial Oceanography Research and Education o Seymour.

E a Seymour siamo davvero interessati a catturare l'intera dinamica, il continuum dai genomi ai biomi, tutti questi diversi livelli di complessità biologica dal genoma al trascrittoma, al proteoma, alle cellule, alle popolazioni, alle comunità, agli ecosistemi. Si tratta di un sacco di informazioni diverse. È piuttosto ambizioso.

E quindi questo progetto, questo Centro di Scienza e Tecnologia della NSF, Seymour, ha sede alle Hawaii e, e, ed è un gruppo di oceanografi, microbiologi, biologi molecolari che stanno cercando di riunirsi per capire come caratterizzare un particolare sistema in questo modo. E in questo caso, il sistema è in gran parte l'oceano superiore nel Pacifico centrale. Una ragione importante per farlo è che questo cattura un, un vasto tipo di componente biologica che copre il nostro globo, due terzi del nostro pianeta. Seymour sta effettivamente collaborando con un altro progetto finanziato dalla Moore Foundation chiamato camera.

E Camera è guidato da Larry Smar e Craig Venter come luogo per acquisire molti dati genomici che sono stati raccolti nell'ambiente e per presentarli con i dati sinottici o ambientali. Quindi i dati ambientali che sono stati raccolti nello stesso momento in cui lo sono stati i dati genomici. Quindi questo è davvero nuovo di zecca.

È solo all'inizio e richiederà più coordinamento e discussioni sugli standard dei dati e dei metadati. E come si costruisce un database che possa contenere tali informazioni? Perché in questo momento questo è focalizzato in gran parte sull'oceano che dà un punto focale.

Ma si può immaginare che certamente le persone che studiano il microbioma umano avranno bisogno di set di dati simili insieme a dati clinici, dati sugli individui, ecc. Si tratta di una serie di problemi completamente diversi, ma per molti versi è lo stesso tipo di problema nell'acquisizione dei dati genomici dalle popolazioni microbiche naturali insieme a tutti i metadati associati e rilevanti su dove vivono, quali erano le condizioni e così via. La speranza è, naturalmente, che esistano grandi database relazionali in cui si possano porre domande abbastanza interessanti su particolari tipi o categorie di geni.

Si potrebbe pensare ad alcuni geni che tipicamente associamo all'essere patogeni come la pillola I, ci sono pillole I particolari che sono sempre associati ad ambienti clinici o patogeni, o quelle pillole I sono più diffuse e si sono adattate a circostanze particolari, in termini di formazione di agenti patogeni e così via. Ci sono molte diafonie che potrebbero potenzialmente verificarsi tra questi set di dati in termini di comprensione di come si evolve il mondo microbico e di come particolari adattamenti potrebbero portare a uno o all'altro insieme di relazioni ambientali o stili di vita. Sto vivendo liberamente?

Sono attaccato, sono un agente patogeno? Tutte queste cose sono collegate. Quindi questi database relazionali, man mano che crescono, saranno probabilmente molto importanti sia per le applicazioni pratiche che per lo sviluppo della teoria.

E, e non ci sono ancora. Hanno una lunga strada da percorrere nei prossimi, oh, direi cinque o 10 anni. Penso che ci saranno una serie di sviluppi, naturalmente nel contesto del genoma umano e della medicina umana e della genetica.

Il genoma da mille dollari è stato il Santo Graal e le tecnologie si stanno sviluppando abbastanza rapidamente, almeno per il ri-sequenziamento. Quindi uno dei grandi impatti sarà l'abbassamento dell'asticella per ottenere solo informazioni genomiche. Con questo intendo solo l'economia.

Sarà molto più economico e molto più veloce. E probabilmente ci saranno dispositivi delle dimensioni di un orologio da polso su cui è possibile sequenziare il proprio genoma, se lo si desidera, in un futuro non troppo lontano. Questo è certamente nel regno delle possibilità.

Quando ciò accade, il gioco cambia un po'. In questo momento, gran parte del sequenziamento genomico avviene in centri specializzati molto grandi con molte persone. Quello che accadrà con il sequenziamento del genoma, certamente, e sta accadendo ora, è che diventerà molto più distribuito.

E l'aspetto interessante è che pone nuove sfide alla raccolta dei dati, agli standard dei dati e alla diffusione dei dati, poiché le fonti puntuali di generazione dei dati diventano sempre più distribuite. Quindi questa è una bella sfida. E ancora, si riferisce all'intera questione del database.

Un'altra cosa che sta iniziando ad accadere e accadrà ancora di più è che in genere pensiamo di ottenere i dati genomici come un'impresa in cui depositiamo in un database, diventa un database e poi andiamo avanti. Il sequenziamento del DNA ha in realtà applicazioni davvero potenti nella scienza sperimentale. E con alcune delle nuove tecnologie che stanno venendo alla ribalta, penso che quello che vedremo è che le persone raccoglieranno dati genomici più in modalità sperimentale che in una modalità di raccolta e deposizione dei dati.

E, e si può immaginare di tracciare le popolazioni nell'ambiente osservando l'espressione genica, sovrapponendo i modelli di espressione genica ai modelli proteomici. Tutte queste cose stanno per accadere. E quindi probabilmente penseremo al sequenziamento del genoma più come uno strumento sperimentale che come un modo per far crescere i database.

Quindi questo genere di cose sono tutte in vista e, e, naturalmente, al centro di tutte sarà l'acquisizione dei dati e l'infrastruttura computazionale, sia nell'hardware che nel software per gestire tutti questi dati, perché le quantità sono enormi. E, e poi, per di più, il tipo di sviluppo della teoria, se si pensa alla teoria biologica come, applicata all'ecologia in particolare, gran parte di essa si basa su grandi organismi, grandi organismi che si riproducono sessualmente, e infatti alcune delle regole del gioco e parte della teoria non si applicano necessariamente al mondo microbico. E quindi penso che per i matematici e i teorici, c'è un enorme potenziale in futuro per l'utilizzo di questi dati che vengono raccolti ora e lo saranno in futuro come modelli di dati, se vogliamo, per lo sviluppo di nuove teorie e teorie predittive.

E il gioco finale finisce davvero per capire come funziona il nostro pianeta, in parte perché l'aria che respiriamo, i flussi di materia ed energia che bilanciano davvero i cicli elementari sulla terra sono in gran parte regolati dalle attività collettive delle specie microbiche. Dal momento che stiamo spingendo in questo momento come specie noi stessi altrettanto duramente su alcuni cicli di energia e materia, prendiamo ad esempio la CO2 nell'atmosfera, diventa sempre più importante capire le dinamiche e i dettagli di come si verifica l'equilibrio naturale man mano che lo procuriamo noi stessi e iniziare a pensare a modi in cui possiamo vivere un po' più in equilibrio con i cicli della materia e dell'energia. sul nostro pianeta. Quindi io, credo che alcuni di questi fondamentali, quella che sembra una riduzione della scienza, finiranno davvero per evolversi attraverso la metagenomica e alcune di queste altre tecniche di cui ho parlato e la teoria in una scienza più olistica in termini di comprensione dei sistemi complessi, non solo a livello della cellula, ma a livello del nostro pianeta.

E quindi proprio ora, con alcune di queste tecniche che vi abbiamo mostrato in laboratorio, stiamo facendo i primi piccoli passi. Ma penso che possiamo iniziare a vedere, sai, piccoli scorci di dove potrebbe andare tutto questo. E sarà, sarà eccitante se riusciremo a capire come orchestrarlo perché richiede le competenze di, di una vasta gamma di, di tecnologi, di teorici, matematici, ingegneri, per cercare di mettere tutto insieme.

Quindi è, sono tempi interessanti ed è destinato a diventare ancora più interessante a questo punto.