종의 기원에 대한 의 마감 단락에서 찰스 다윈 (Charles Darwin)은 독자들에게“많은 종류의 많은 식물로 옷을 입은 얽힌 은행을 묵상하고, 새들이 덤불에 노래를 부르며, 다양한 곤충이 날아가고, 벌레가 젖은 지구를 통해 기어 다니는 것”이라고 촉구했다. 그 식물, 조류, 곤충 및 벌레는 계속해서 모든 생태 학적 요인의 복잡한 웹으로 인해 진화했습니다. 온도가 더워지고 물이 더 산성이거나 특정 종의 잔디가 없으면 매우 다른“얽힌 은행”이 대신 진화했을 수 있습니다.
연구원들은 일반적으로 환경 요인의 진화 효과를 하나씩 놀리려고 노력했습니다. 그러나 환경의 전체 생물 다양성 (얽힌 은행 자체의 전체)도 종의 진화 방식에 중요한 영향을 줄 수 있습니다.
최근 자연 에 출판 된 논문 박테리아 종이 매우 간단한 생태 공동체 (다른 종류의 미생물을 포함하는 매우 간단한 생태 공동체에도 존재할 때 파지와 함께 혼자있을 때보 다 약탈 세균성 바이러스에 대해 매우 다른 방어 전략을 발전시키는 것으로 나타났습니다. 이 연구는“이 아이디어를 다른 종들과 함께 박테리아와 함께 존재하는 미생물 군의 맥락으로 이러한 아이디어를 확장하고있다”고 영국 셰필드 대학교의 진화론 생물 학자 인 마이클 브록 허스트 (Michael Brockhurst)는 말했다.
이 발견은 생물 다양성의 가치를 그 자체로 진화 적 요인으로 상승시킬뿐만 아니라, 종의 실험실 연구에서 나온 미생물의 행동과 능력에 대한 일부 초기 결론은 심각하게 불완전 할 수 있음을 시사한다. 또한 박테리아에서 약물 내성을 때리는 일부 전략에 대한주의를 기울이는 것 같습니다.
필요한 수단에 의한저항
과학자들은 종종 박테리아와 박테리오파지 바이러스를 섭취하여 그들을 먹이로 바꾸어 진전에 대해 배웁니다. 둘 다 실험실에서 통제되고 측정 될 수있는 영원하고 빠른 진화론 적 갈등에 잠겨 있습니다.
Eons 전, 박테리아 (또는 그들의 Archaea Cousins)는 바이러스를 방해하는 바이러스를위한 영리한 시스템을 발전 시켰습니다. 지난 10 년 동안 생명 공학의 도구로 유명해졌습니다. CRISPR은 적응성 면역계처럼 작용합니다. 바이러스에 노출 된 박테리아는 그 감염의 유전 적“기억”을 후손에게 전달할 수있게하여 반복 감염에 대해 더 나은 방어를 할 수 있습니다. 모든 박테리아 종의 절반이 CRISPR을 사용하기에 잘 작동하는 시스템입니다.
그러나 많은 미생물 학자들에게 퍼즐은 일부 박테리아가 CRISPR을 사용하는 이유와 다른 박테리아가 그렇지 않은 이유입니다. CRISPR이 장착 된 박테리아는 박테리아 왕국 전체에 거의 무작위로 흩어져 있으며, 게놈에 CRISPR이있는 박테리아조차도 지속적으로 의존하지 않습니다.
연구원들은 박테리아가 파지 침입을 거부하는 데 사용하는 수십 개의 다른 시스템을 발견했습니다. 그러나 실험실 연구에서 박테리아는 주로 표면 기반 파지 저항성을 발달시킵니다. 돌연변이는 박테리아 세포 표면의 수용체 분자를 변화시켜 파지가 더 이상 인식하고 침범 할 수 없도록합니다.
이 전략은 문을 닫고 열쇠를 버리는 것과 비슷합니다. 바이러스에 의한 감염으로 인한 박테리아에 완벽한 안전성을 제공합니다. 그러나 그 보호는 상당한 가격으로 발생합니다. 또한 영양소 흡수, 폐기물 처리, 의사 소통 과제 또는 수용체가 제공했던 다른 세포 기능을 방해하기 때문에 셀의 체력에 끊임없이 통행을 취합니다.
.대조적으로, CRISPR은 바이러스 감염 중에 활동할 때 세포의 자원을 끌어냅니다. 그럼에도 불구하고 CRISPR은 더 위험한 Gambit을 나타냅니다. 파지가 이미 세포에 들어가기 전까지는 작동하지 않습니다. 즉, 바이러스가이를 극복 할 수있는 가능성이 있음을 의미합니다. CRISPR은 바이러스 성 DNA를 공격하는 것이 아닙니다. 또한 박테리아가 항생제 내성을 부여하는 것과 같은 다른 미생물에서 유익한 유전자를 섭취하는 것을 방지 할 수 있습니다.
비용과 체력의 상충 관계에 어떤 요인이 있습니까? 지난 6 년간 영국 엑서 터 대학의 진화 생태 학자 인 Edze Westra는 팀을 이끌고 그 질문에 대한 답을 추구했습니다. 2015 년에 그들은 영양소 가용성과 파지 밀도가 pseudomonas 에 영향을 미쳤다는 것을 발견했습니다. 박테리아는 표면 기반 또는 CRISPR 기반 저항에 의존했습니다. 자원이 부족한 환경에서 수용체 수정은 더 부담이 많았으므로 CRISPR은 더 나은 거래가되었습니다. 자원이 풍부 할 때 박테리아가 더 밀도가 높아졌고 파지 전염병이 더 빈번 해졌습니다. 그런 다음 박테리아는 감염에서 완전히 닫히기 위해 더 큰 선택적 압력에 직면하여 수용체를 폐쇄하여 표면 기반 저항을 얻습니다.
.이것은 실험실 배양에서 표면 기반 저항이 왜 그렇게 흔한 지 설명했습니다. Westra는 영양소가 풍부한 시험관에서 자라면서“이 박테리아는 휴가 중입니다.”라고 Westra는 말했습니다. "그들은 훌륭한 시간을 보내고 있습니다."
그럼에도 불구 하고이 규칙은 잘라 내고 건조되지 않았습니다. 자연 고 영양소 환경에서 많은 박테리아는 CRISPR을 사용하며 자연 저 영양소 환경에서는 많은 박테리아가 사용되지 않습니다. Westra는“모든 곳에 있습니다. "그것은 우리가 아마도 여전히 무언가를 놓치고 있다고 말했습니다."
생물 다양성이 전투를 재구성하는 방법
그런 다음 Westra의 대학원생 중 한 명인 Ellinor Opsal은 또 다른 잠재적 요인, 즉 박테리아가 사는 생물학적 공동체의 다양성을 제안했습니다. 이 요인은 연구하기가 더 어렵지만 과학자들은 이전에 박테리아의 파지 면역에 영향을 줄 수 있음을 관찰했습니다. 예를 들어, 2005 년 텍사스 대학교, 오스틴 대학의 생물 학자 인 제임스 불 (James Bull)과 당시 대학원생 (현재 미네소타 대학교)의 윌리엄 하콤 (William Harcombe)은 e를 발견했습니다. coli 박테리아는 두 번째 박테리아 종이있을 때 파지에 면역을 진화시키지 않았습니다. 마찬가지로, 버클리 캘리포니아 대학교의 진화 생물 학자 인 브리트 코스 켈라 (Britt Koskella)와 그녀의 대학원생 중 한 명인 캐서린 에르난데스 (Catherine Hernandez)는 작년에 파지 저항이 슈도모나스에서 발생하지 못했다고보고했다. 테스트 튜브에서 항상 면역력을 얻었지만 실제 숙주 (식물)에 사는 박테리아. 주변 환경의 다양성이 파지에 대한 저항이 진화했는지 여부뿐만 아니라 그 저항의 본질에 영향을 줄 수 있습니까?
Westra의 팀은 새로운 실험 세트를 수행했습니다. 파지로 자라는 박테리아는 세 가지 다른 박테리아 종을 추가했습니다. 자원의 경우, 그러나 파지의 목표는 아니 었습니다.
pseudomonas 일반적으로 표면 기반 돌연변이가 발생합니다. 그러나 라이벌 회사에서는 Crispr로 향할 가능성이 훨씬 높았습니다. 추가 조사는 더 복잡한 커뮤니티 역학이 체력 비용을 바꾸는 것으로 나타났습니다. 박테리아는 더 이상 수용체를 비활성화 할 수 없을뿐만 아니라 파지에서 살아남 았을뿐만 아니라 주위의 박테리아를 뒷받침해야했기 때문에 더 이상 수용체를 비활성화 할 수 없었습니다.
.이러한 결과는 Phages가 박테리아 공동체에서 더 큰 다양성을 생성 할 수 있다는 초기의 발견과 함께 Westra의 그룹 Dovetail에서 얻은 결과입니다. Koskella는“이제 그 다양성은 파지 저항에 영향을 미쳐 실제로 파지쪽으로 물러나고있다”고 말했다. "그게 다가오는 것을 보는 것은 깔끔합니다." 그녀는 이런 종류의 피드백 루프를 이해함으로써“우리는 파지가 커뮤니티 맥락에서 미치는 영향에 대해 더 일반적인 질문을 시작할 수 있습니다.”
.우선, 박테리아의 CRISPR 기반 파지 반응으로의 전환은 또 다른 더 넓은 효과를 가졌다. Westra의 그룹이 Pseudomonas 가 성장했을 때 나방 유충 숙주에서, 그들은 표면 기반 저항을 가진 박테리아가 덜 악성이라는 것을 발견하여 활성 CRISPR 시스템을 가진 박테리아보다 유충을 훨씬 더 천천히 죽였다.
.이 결과는 Phage 요법에 직접적인 영향을 미치며, 연구원들 사이에서 관심을 끌고있는 박테리아 감염과 싸우는 접근법입니다. Yale University의 생태 학자이자 진화 생물 학자 인 Paul Turner와 같은 과학자들은 표적 박테리아에서 수용체 돌연변이를 유발하여 항생제에 덜 악성이거나 더 취약하게 만드는 파지를 찾고 있습니다. 그러나 CRISPR 기반 저항의 진화가 박테리아의 옵션이라면, 그 전략은“더 복잡한 커뮤니티에서 항상 작동하지는 않을 것”이라고 Turner는 말했다. (그는 이것이 파지 치료 실험에서 아직 문제가되지 않았다는 것을 인정했다.
Westra의 팀은 다른 그룹과 함께 다른 박테리아 시스템과 환경과 다른 유형의 면역에서 이러한 영향을 연구하고 있습니다. 또한 다양한 유형의 미생물 다양성이 박테리아에서 파지 저항의 진화에 어떤 영향을 미치는지 탐구하고 있습니다. 한편, Harcombe와 그의 동료들은 박테리아 종이 인간의 직감의 미생물 군과 같은 경쟁 대신 생존을 위해 서로 협력하고 서로 의존하는 지역 사회에서 어떻게 진화가 진행되는지 연구하고 있습니다.
다른 사람들은 파지 저항을 넘어 진화 적 특성을보고 있습니다. 8 월에 발표 된 논문에서 한 연구팀은 더 큰 생물 다양성이 특정 항생제 내성 유전자의 확산을 막는 것을 발견했습니다.
아마도 가장 중요한 결과, 이러한 발견은 과학자들이 실험에 필요한 복잡성 수준에 대한 통찰력을 제공합니다. Westra는“박테리아와 파지에 대해 우리가 알고 있다고 생각하는 많은 것들과 그것들의 상호 작용 방식은 정말 간단한 테스트 튜브 실험에서 비롯됩니다. “그리고 우리가 실제 생태 학적 복잡성을 도입하기 시작하면 이러한 결과는 유지되지 않습니다. 우리는 환경 적 현실주의를 고려해야합니다.” - 훨씬 더 어려운 노력이더라도.
Harcombe는“정말 중요 할 것입니다. 미생물을 관리하려고 노력하고 변화하는 세상에서 생태계를 관리하려고 할 때
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