O espaço é realmente a fronteira final, ou são os maiores mistérios mais perto de casa? Na cosmologia, matéria escura é dito que representam a maioria da massa do universo, porém sua presença é inferida pelos efeitos indiretos, em vez de detectadas através de telescópios. O equivalente biológico é "matéria escura microbiana", essa infra-estrutura generalizada ainda praticamente invisível da vida no planeta, o que pode ter profundas influências sobre os processos ambientais mais significativos de crescimento da planta e saúde, ciclos de nutrientes em ambientes terrestres e marinhos, o mundial ciclo do carbono, e, possivelmente, até mesmo processos climáticos.
Os cosmólogos só mapeou metade de um por cento do universo observável eo caminho à frente em genômica ambiental é igualmente assustador. "Ainda há uma quantidade impressionante de diversidade para explorar", disse disse Tanja Woyke, DOE JGI Microbial Programa Cabeça e autor sênior da publicação Nature .. "Para tentar capturar 50 por cento de apenas a diversidade filogenética conhecido atualmente, teríamos a seqüência mais 20 mil genomas, e estes teriam que ser selecionados com base em serem membros de ramos sub-representados na árvore. E, com certeza, estes são apenas o que se conhece a existência. "
O Galaxy diário via DOE / Joint Genome Institute
"Os micróbios são as formas mais abundantes e diversificadas da vida na Terra", disse Woyke. "Eles ocupam todos os nichos concebíveis ambiental das profundidades extremas dos oceanos para o mais seco dos desertos. Contudo, o nosso conhecimento sobre os seus hábitos e os benefícios potenciais tem sido prejudicada pelo fato de que a grande maioria destes ainda não foram cultivadas em laboratório. Então, nós apenas recentemente se tornaram conscientes de seus papéis em vários ecossistemas, através de métodos independentes de cultivo, como a metagenômica e genômica de uma única célula. que somos descobrindo agora são características metabólicas inesperados que se estendem nossa compreensão da biologia e desafiar os limites estabelecidos entre os domínios da vida. "
Empregando próxima geração de sequenciamento de DNA dos genomas isolados a partir de células individuais, grandes avanços estão sendo feitos na tarefa monumental de trazer sistematicamente à luz e ao preenchimento de ramos desconhecidos na árvore de bactérias e Archaea de vida. Em uma colaboração internacional liderada pelo Departamento de Energia Joint Genome Institute (DOE JGI), os mais recentes resultados de exploração de matéria escura microbiana EUA foram publicados online 14 jul 2013 na revista Nature.
"Em vez de se perguntar por meio da aridez do espaço, essa conquista é mais parecido com o século 21 equivalente a expedição de Lewis e Clark para abrir o oeste americano", disse Eddy Rubin, diretor DOE JGI. "Este é um poderoso exemplo de como o DOE JGI descoberta pioneiros, em que podemos ter uma abordagem de alto rendimento para isolamento e caracterização de genomas individuais a partir de amostras ambientais complexas de milhões de células, para fornecer um profundo salto de compreensão da evolução microbiana em nosso planeta. Esta é realmente a próxima grande fronteira ".
Esta campanha de matéria escura microbiana alvo cultivadas células microbianas de nove diferentes habitats: Sakinaw Lago em British Columbia, o Etoliko Lagoa da Grécia ocidental, um reator de lodo no México, o Golfo de Maine, na costa norte de Oahu, Hawaii, o Gyre Tropical no sul do Atlântico, a ascensão do leste do Pacífico, o Homestake Minas em Dakota do Sul e da Grande Primavera de ebulição em Nevada. A partir dessas amostras, a equipe laser classificadas 9.000 células, a partir do qual eles foram capazes de montar e identificar 201 genomas distintos, que então poderiam ser alinhados com 28 grandes ramos anteriormente desconhecidas da árvore da vida.
Para contornar a dificuldade de crescimento a maioria dos micróbios em laboratório, os esforços recentes têm-se centrado sobre a realização de pesquisas com base em seqüenciamento marcador ou genes 16S RNA ribossômico que são conservados em linhagens microbianas por causa de seu papel essencial de genes "housekeeping" - fundamental para o sobrevivência do organismo. A sequenciação do genoma do resto dos genomas da maioria destas linhagens de proceder está no entanto muito mais lentamente. "Representação do genoma microbiano nas bases de dados é bastante distorcida", disse Chris Rinke, DOE JGI pós-doutorado e primeiro autor do estudo. "Mais de três quartos de todos os genomas seqüenciados se dividem em três grupos taxonômicos ou filos, mas há mais de 60 filos que conhecemos." Para a maioria deles, no entanto, não há membros cultivadas disponíveis.
"Com base em pesquisas 16S sabemos que eles estão lá fora, mas não sabemos muito sobre eles - é por isso que nós os chamamos de matéria escura microbiana", Woyke acrescentou. "Usando técnicas de uma única célula modernos nos permitiu acessar a composição genética para alguns deles, mesmo sem cultivá-las em laboratório."
Neste esforço de "buscar novas formas de vida", os resultados da equipe caiu em três áreas principais. O primeiro foi a descoberta de características metabólicas inesperados. Eles observaram certas características em Archaea que antes eram vistos apenas em bactérias e vice-versa. Um tal traço envolve uma enzima que as bactérias geralmente usado para criar um espaço no seu protectora da parede celular, que é necessário para que a célula pode, por exemplo, se expandir durante a divisão celular. Como em vez genericamente corta o envelope celular das bactérias de proteção, ele precisa ser muito bem regulado. Pela primeira vez, um grupo de Archaea foi encontrada para codificar esta enzima potente e os autores sugerem que pode implantar Archaea como um mecanismo de defesa contra o ataque de bactérias.
A segunda contribuição decorrente do trabalho foi a mudança correta, ou binning, de dados de cerca de 340 milhões de fragmentos de DNA de outros habitats para a linhagem apropriada. Esta correção de curso fornece insights sobre como os organismos funcionam no contexto de um ecossistema particular, bem como uma compreensão muito melhor e mais precisa das associações de genes recém-descobertos com as formas de vida residentes.
A terceira descoberta foi a resolução das relações dentro e entre os filos microbiana - a classificação taxonômica entre domínio e classe - o que levou a equipe a propor dois novos superphyla, que são associações altamente estáveis entre filos. Os 201 genomas, desde pontos de referência sólidos, âncoras para filogenia - a história da linhagem de organismos como eles mudam ao longo do tempo.
"Nossos genomas de organismos unicelulares nos deu um vislumbre das relações evolutivas entre os organismos cultivados - insights que vão além da resolução lócus único da árvore de rRNA 16S e são essenciais para o estudo da diversidade e evolução de bactérias e archaea", disse Woyke. "É um pouco como olhar para uma árvore genealógica para descobrir quem são seus irmãos e irmãs são. Aqui fizemos isso para grupos de organismos para os quais apenas têm fragmentos de informação genética. Interpretamos milhões desses pedaços de informação genética como estrelas distantes no céu à noite, tentando alinhá-los em constelações reconhecíveis. No início, não sabíamos o que deve ser semelhante, mas podemos estimar a sua relação com o outro, não espacial, mas ao longo do tempo evolutivo. " Woyke e seus colegas estão buscando uma caracterização mais precisa dessas relações, para que possam melhor predizer propriedades metabólicas e outras características úteis que podem ser expressas por diferentes grupos de micróbios.
"Durante quase 20 anos temos sido surpreendido com o quão pouco não se sabe sobre as regiões enormes da árvore da vida", disse Phil Hugenholtz, diretor do Centro Australiano para Ecogenomicsna The University of Queensland. "Este projeto é o primeiro esforço sistemático para resolver esta lacuna de conhecimento enorme. Uma das contribuições mais significativas é que, com base nesses dados, nós fornecemos nomes para muitas dessas linhagens, que, como a maioria dos sistemas estelares, foram apenas numerados previamente. Para mim , a atribuição taxonômica é importante, pois acolhe em estranhos e torna parte da família. entanto, este é apenas um começo. Estamos falando de, provavelmente, milhões de espécies microbianas que continuam a ser descrito ", disse Hugenholtz.
A publicação Natureza "Insights sobre a filogenia e potencial de codificação da matéria escura microbiana" baseia-se em um projeto DOE JGI piloto, a Enciclopédia Genômica das Bactérias e Archaea (GEBA: http://www.jgi.doe.gov/programs/GEBA/ ) e intimamente se articula com outras iniciativas internacionais, como o Project Earth microbiana que tem como objetivo gerar um catálogo completo do genoma de todas as estirpes do tipo Archaea e bacterianas (http://www.microbial-earth.org), eo Projeto Microbiome Terra (http :/ / www.earthmicrobiome.org). Mais informações sobre GEBA-MDM está disponível em: http://bit.ly/GEBA-MDM
O Galaxy diário via DOE / Joint Genome Institute
Crédito de imagem: a vida microbiana em uma amostra de água do mar. O geneticista Craig Venter afirma ter encontrado um novo domínio da vida em uma amostra similar. Foto: AP
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