Кто есть кто среди бактерий: надёжный способ определения видов и штаммов
Для научного сообщества имена и классификации помогают организовать живые организмы для их идентификации, изучения и регулирования. Однако для бактерий до сих пор не существовало общепринятого надёжного метода для их последовательной организации на виды и штаммы. Это проблема, поскольку бактерии — одна из самых распространённых форм жизни, составляющая примерно 75% всех живых видов на Земле.
Международная исследовательская группа решила преодолеть эту давнюю проблему. Костас Константинидис, профессор Школы гражданского и экологического строительства Технологического института Джорджии, стал соавтором исследования, целью которого было определить научно обоснованный метод классификации бактерий на виды и штаммы, основываясь на естественных различиях между ними.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
"Хотя существует рабочее определение видов и штаммов, оно далеко не общепринято в научном сообществе, — заявил Константинидис. — Это потому, что эти классификации основаны на человеческих стандартах, которые не обязательно хорошо отражают закономерности, которые мы наблюдаем в естественной среде".
Например, если бы мы классифицировали приматов по тем же стандартам, что и E. coli, то все приматы — от лемуров до людей и шимпанзе — принадлежали бы к одному виду.
Одной из причин сложности создания всеобъемлющей системы является неравномерное научное внимание: более изученные виды бактерий, например, содержащие токсичные штаммы, часто определяются более узко. Однако даже классификация по токсичности ненадёжна.
"Несмотря на очевидную фундаментальную важность концепций вида и штамма для микробиологии, они остаются плохо определёнными и запутанными", — отметил Константинидис.
Методология исследования
Команда собрала бактерии из двух соляных промыслов в Испании — искусственных водоёмов для выпаривания морской соли, которые являются идеальными местами для изучения бактерий в их естественной среде.
Исследователи выделили и секвенировали 138 случайных изолятов бактерий Salinibacter ruber. Чтобы выявить естественные разрывы в генетическом разнообразии, они сравнили изоляты между собой с помощью показателя средней нуклеотидной идентичности (Average Nucleotide Identity, ANI) — концепции, разработанной Константинидисом ранее. ANI измеряет степень родства между любыми двумя геномами. Например, ANI между человеком и шимпанзе составляет около 98,7%.
Ключевые результаты
Анализ подтвердил, что микробные виды действительно существуют и могут быть надёжно описаны с помощью ANI:
- Члены одного вида бактерий показали генетическое сходство в диапазоне от 96 до 100% по шкале ANI.
- Сходство с членами других видов, как правило, составляло менее 85%.
Данные выявили естественный разрыв в значениях ANI около 99,5% внутри вида Salinibacter ruber, который можно использовать для дифференциации вида на различные штаммы.
В сопутствующей статье, опубликованной в mBio, команда изучила около 300 дополнительных видов бактерий на основе 18 000 недавно секвенированных геномов из публичных баз данных. Аналогичные закономерности разнообразия были обнаружены более чем в 95% видов.
Значение и перспективы
"Мы считаем, что эта работа расширяет молекулярный инструментарий для точного описания важных единиц разнообразия на уровне вида и внутри вида, и уверены, что это принесёт пользу будущим исследованиям микробиоразнообразия как в клинических, так и в природных условиях", — заявил Константинидис.
Исследование будет полезно эволюционным биологам, таксономистам, экологам, инженерам-экологам, клиницистам, биоинформатикам и регулирующим органам. Методология и результаты доступны онлайн на сайте Константинидиса и GitHub для облегчения доступа и использования.
"Мы надеемся, что эти сообщества примут новые результаты и методологии для более надёжной и точной идентификации видов и штаммов по сравнению с текущей практикой", — заключил учёный.