211service.com
Brave New bakterievärld
Trots 300 år av tittande genom mikroskop, odling av bakterier i kultur och screening av mark, luft och vatten för nya mikrobiella arter, har forskare tydligt förbisett mycket av livet på jorden. Tack vare kraftfulla nya forskningsverktyg upptäcker bakteriologer att den levande världen plötsligt är mycket större och mer komplex än de föreställde sig för ett decennium sedan. Upptäckten liknar kanske i storleksordningen den holländska mikroskopisten Antonie van Leeuwenhoeks första glimt av mikrober - han kallade dem djurkulor - rullande under sina råa glaslinser.
Eftersom bakterier i huvudsak var omöjliga att upptäcka om de inte kunde odlas i kultur, har de flesta arter - som finns i miljöer som är svåra att replikera - på sätt och vis varit förbjudna. Tänk om hela vår förståelse av biologi var baserad på besök i djurparker, säger Norman R. Pace, biolog vid University of California, Berkeley. Det är analogt med vår situation när det gäller att förstå den mikrobiella världen.
Den här historien var en del av vårt aprilnummer 1997
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Melvin Simon, ordförande för avdelningen för biologi vid California Institute of Technology, uppskattar att cirka 99 procent av bakterierna där ute ännu inte kan odlas i laboratorieodlingsrätter. Det beror på att forskare ofta inte kan bestämma den exakta kombinationen av förhållanden - inklusive syre, temperatur och ljus - som mikrober behöver och för att det är svårt att simulera dessa krav på en gång för att göra dem lyckliga. Cirka 6 000 arter av mikroorganismer har formellt beskrivits. Och fram till nu, säger han, har resten förblivit osynliga för oss.
Nyckeln till att få en första inblick i denna nya värld var att lära sig hur man isolerar, förstärker och studerar en organisms genetiska material direkt från miljön utan att odla själva organismen. Genom att använda molekylära instrument som selektivt plockar ut en bakteries mycket specifika gener från en buljong av DNA, kan forskare nu snabbt identifiera nya organismer, utforska deras egenskaper och bestämma deras släktskap med organismer som redan är kända.
Framträdande bland de nya molekylära verktygen är den genförstärkande tekniken som kallas PCR, polymeraskedjereaktionen. PCR tillåter att specifika gener isoleras och kopieras i det oändliga, så att tillräckligt många blir tillgängliga för detaljerade studier, till exempel av en gens DNA-sekvens. Och det är i sekvensen - faktiskt skillnaderna i sekvenser från en organism till en annan - som mikrobernas identiteter kan ses.
Tillsammans med PCR inkluderar de nya verktygen snabb sekvenseringsteknik, snabb datorbearbetning av gensekvensdata och allt mer exakt elektroforesteknologi, som elektriskt separerar gener i en gel eller vätska efter storlek.
Ett av de viktigaste analytiska målen för sådant arbete är det allestädes närvarande RNA (ribonukleinsyra) i ribosomer, de små rundade kroppar som levande celler använder som proteinbyggande enheter. Alla celler har ribosomer, och eftersom RNA:t de innehåller skiljer sig något från en art till en annan, fungerar den som en pålitlig markör - en sorts molekylär hundmärke - som kan användas för att identifiera, klassificera och analysera varje ny mikrob.
Det överraskande fyndet är att överallt där forskare tillämpar dessa nya tekniker möter de konstiga nya bakterier, i överflöd och mångfald som ingen riktigt hade förutsett. Till exempel, som Paul Dunlap, en associerad forskare vid Woods Hole Oceanographic Institution i Massachusetts, förklarar i Woods Hole-publikationen Oceanus, är havets mikrobiella liv så otroligt rikligt att i vissa fall förekommer organismer i extraordinärt höga antal, upp till cirka 100 miljarder per milliliter havsvatten. I själva verket är organismer mindre än 2 mikrometer i diameter som lever i havet så rikliga att de står för 95 procent av massan av alla former av liv i världens hav.
Sedimentära jordar, även den gamla leran som avsatts på djuphavsbotten, är också mycket levande med mikroorganismer. Nyligen genomförda borrningar i botten av Japanska havet, till exempel, tog upp prover - från lager av sediment begravda 500 meter djupt innehållande miljontals organismer i varje gram jord.
Nya riken
Resultaten tyder på att även en liten klunk vatten, eller ett litet prov av jord, bär tillräckligt med bakterier - de flesta av dem tidigare okända - för att hålla forskargrupper sysselsatta i flera år. Det finns nya gener, nya enzymer och nya funktioner som vi inte vet något om, konstaterar Simon, och data hopar sig för snabbt för att kunna analyseras i detalj. De (mikroberna) har till och med några olika typer av cellmembran, vilket tyder på att helt nya biologisfärer är där för att utforskas.
Eftersom varje organism har sina egna gener, karaktäristisk biokemi, struktur och beteende är den industriella potentialen enorm. Varje art har mellan 1 000 och 5 000 gener, och för det mesta är deras biokemiska egenskaper fortfarande okända. Så det är troligt att nya enzymer, livsmedel, droger, kemikalier, material och processer kommer att upptäckas. Bakterier som kan leva i den fientliga miljön i varma källor har till exempel gett speciella enzymer som fungerar vackert vid höga temperaturer, vilket kan vara till nytta vid kemisk bearbetning. Dessutom, säger Pace, gör vissa mikroorganismer ämnen som fäster vid ytor i vatten som nästan kokar, vilket kan vara värdefullt i vissa tillverkningsoperationer.
I evolutionära termer, konstaterar Simon, borde det inte komma som någon överraskning att det finns så många olika typer av bakterier, även på platser där de en gång verkade osannolika. När allt kommer omkring var världen under 3 miljarder år befolkad av bakterier och förmodligen väldigt lite annat. Så dessa encelliga organismer har haft mycket mer tid på sig att utvecklas än de flesta andra varelser på jorden.