گونههای پروکاریوتی: فراتر از کشت در آزمایشگاه
برای دهه‌ها، مطالعه پروکاریوت‌ها عمدتاً بر روی رشد آنها در آزمایشگاه متمرکز بود. باکتری‌ها و آرکئاهایی که می‌توانستند در پلیت‌های آگار یا محیط‌های کشت مایع رشد کنند، قابل مطالعه، آنالیز و طبقه‌بندی در فهرست رو به رشد گونه‌ها و سویه‌های پروکاریوتی بودند. با این حال، مشکل بزرگی وجود داشت: برخی از پروکاریوت‌ها به سادگی در محیط آزمایشگاهی رشد نمی‌کردند. تخمین‌ها نشان می‌دهد که 99 درصد از باکتری‌ها و آرکئاها غیرقابل کشت هستند. این موضوع شکاف بزرگی در درک ما از تنوع پروکاریوت‌ها ایجاد کرد.
با وجود این چالش‌ها، دانشمندان تخمین می‌زنند که ممکن است میلیون‌ها گونه پروکاریوتی (یا گروه‌های گونه مانند) وجود داشته باشد. با این حال، اطلاعات ما در مورد اکثر آنها بسیار ناچیز است.
خوشبختانه، با ظهور توالی‌یابی DNA در مقیاس بزرگ، این وضعیت در حال تغییر است. توالی‌یابی DNA به دانشمندان این امکان را می‌دهد که کل جوامع پروکاریوتی را در زیستگاه‌های طبیعی خود مورد مطالعه قرار دهند، از جمله بسیاری از گونههای غیرقابل کشت که قبلاً ناشناخته بودند.
به مجموعه ژنوم‌های موجود در یک جامعه متاژنوم آن جامعه گفته می‌شود و تجزیه و تحلیل این توالی‌ها به عنوان متاژنومیکس شناخته می‌شود. متاژنومیکس پروکاریوتی به عنوان یک حوزه هیجان‌انگیز در حال رشد در زیست‌شناسی تبدیل شده است.
به عنوان مثال، تصور کنید نمونه‌ای از DNA از بستر میکروبی یک چشمه آب گرم جمع‌آوری می‌شود. حتی یک نمونه کوچک از این جامعه غنی، شامل تعداد زیادی از گونههای مختلف خواهد بود. با توالی‌یابی و تجزیه و تحلیل DNA نمونه‌های متاژنوم، دانشمندان می‌توانند ژنوم کامل گونههای ناشناخته قبلی را بازسازی کنند.
در موارد دیگر، آنها از اطلاعات توالی ژن‌های خاص برای تعیین نوع پروکاریوت‌ها و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر یا با گونههای شناخته شده استفاده می‌کنند. ژن‌هایی که در نمونه‌های DNA یافت می‌شوند، می‌توانند سرنخ‌هایی در مورد استراتژی‌های متابولیک موجودات در آن جامعه ارائه دهند.
روش‌های جدید برای مطالعه تنوع پروکاریوتی
به لطف توالی‌یابی DNA در مقیاس بزرگ، درک ما از تنوع پروکاریوتی به سرعت در حال تغییر است. این روش به دانشمندان اجازه می‌دهد تا کل جوامع پروکاریوتی را در زیستگاه‌های طبیعی خود، از جمله بسیاری از پروکاریوت‌های غیرقابل کشت که قبلاً ناشناخته بودند، مطالعه کنند.
متاژنومیکس: به مطالعه ژنوم‌های جمعی یک جامعه پروکاریوتی به عنوان متاژنوم و تجزیه و تحلیل این توالی‌ها به عنوان متاژنومیکس شناخته می‌شود.
تجزیه و تحلیل متاژنومیکس پروکاریوتی به دانشمندان امکان می‌دهد تا:
ژنوم کامل گونههای ناشناخته قبلی را بازسازی کنند.
نوع پروکاریوت‌های موجود و نحوه ارتباط آنها با یکدیگر را بر اساس توالی ژن‌های خاص تعیین کنند.
سرنخ‌هایی در مورد استراتژی‌های متابولیک موجودات در جامعه بر اساس ژن‌های یافت شده در نمونه‌های DNA به دست آورند.
این روش‌های جدید به طور چشمگیری درک ما از تنوع و نقش پروکاریوت‌ها در کره زمین را گسترش می‌دهد.
مثال‌هایی از اکتشافات شگفت‌انگیز:
کشف باکتری‌های جدید در اعماق تاریکی اقیانوس‌ها: متاژنومیکس نشان داده است که اعماق تاریک اقیانوس‌ها، که قبلاً تصور می‌شد فاقد حیات باشد، مملو از باکتری‌های متنوع است که نقش‌های کلیدی در چرخه‌های مواد مغذی ایفا می‌کنند.
شناسایی میکروب‌هایی که می‌توانند پلاستیک را تجزیه کنند: دانشمندان با استفاده از متاژنومیکس، میکروب‌هایی را در محیط‌های آلوده به پلاستیک کشف کرده‌اند که می‌توانند مولکول‌های پلاستیکی را تجزیه کنند و به حل مشکل آلودگی پلاستیکی کمک کنند.
- یافتن آنتی‌بیوتیک‌های جدید: متاژنومیکس پتانسیل کشف آنتی‌بیوتیک‌های جدید را از میکروب‌هایی که در برابر آنتی‌بیوتیک‌های فعلی مقاوم هستند، فراهم می‌کند.
مطالعات متاژنومیک چه چیزی به ما آموخته‌اند؟
مطالعات متاژنومیک دریچه‌ای جدید به دنیای شگفت‌انگیز پروکاریوت‌ها گشوده است. این تحقیقات نشان داده‌اند که:
- تنوع پروکاریوت‌ها بسیار بیشتر از آن چیزی است که قبلاً تصور می‌شد. میلیون‌ها گونه پروکاریوتی وجود دارند که بسیاری از آنها ناشناخته هستند.
- پروکاریوت‌ها در طیف وسیعی از محیط‌ها، از جمله برخی از شدیدترین مکان‌های روی زمین، زندگی می‌کنند. آنها در اعماق اقیانوس، چشمه‌های آب گرم غلیظ از مواد معدنی، و حتی در خاک‌های خشک و شور یافت می‌شوند.
- پروکاریوت‌ها نقش اساسی در چرخه‌های بیوشیمیایی، سلامت اکوسیستم و حتی آب و هوای کره زمین ایفا می‌کنند. آنها مسئول فرآیندهایی مانند تثبیت نیتروژن، تجزیه مواد آلی و تولید متان هستند.
