Quantifying the oxygen preferences of bacterial communities using a metagenome-based approach

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen herauszufinden, wie viel Sauerstoff in einem Raum ist, aber Sie können kein Thermometer oder einen Sensor verwenden. Stattdessen beschließen Sie, die Menschen im Raum zu beobachten, um auf die Luftqualität zu schließen. Wenn Sie hauptsächlich Menschen sehen, die rennen und schwer atmen müssen (Aerobier), wissen Sie, dass es reichlich Sauerstoff gibt. Wenn Sie hauptsächlich Menschen sehen, die sich ruhig ausruhen oder schlafen (Anaerobier), wissen Sie, dass die Luft dünn ist.

In dieser Arbeit geht es darum, genau das zu tun, aber mit Bakterien statt mit Menschen und unter Verwendung von genetischen Hinweisen statt darauf zu achten, wie sie atmen.

Hier ist die Aufschlüsselung ihrer Entdeckung in einfachen Worten:

Das Problem: Sauerstoff ist schwer zu fassen

Sauerstoff ist wie der „Treibstoff“ für viele winzige Lebewesen, aber er ist schwierig direkt zu messen, zum Beispiel in tiefem Boden oder im menschlichen Darm. Manchmal funktionieren die Sensoren nicht oder die Sauerstoffgehalte ändern sich zu schnell, um sie zu erfassen. Die Forscher wollten einen Weg finden, die Bakterien selbst als „lebende Sensoren“ zu nutzen, um uns zu sagen, wie viel Sauerstoff vorhanden war.

Die Lösung: Ein genetisches „Menü“

Das Team erkannte, dass verschiedene Bakterien unterschiedliche „Menüs“ an Genen haben. Einige Bakterien besitzen die spezifischen Werkzeuge (Gene), die nötig sind, um nur zu überleben, wenn Sauerstoff vorhanden ist, während andere Werkzeuge besitzen, um nur zu überleben, wenn Sauerstoff abwesend ist.

1. Die Hinweise finden: Sie verwendeten ein intelligentes Computerprogramm (maschinelles Lernen), um Tausende von bakteriellen Genomen zu scannen. Es war wie ein Detektiv, der eine Liste von Verdächtigen eingrenzt, bis er die 20 wichtigsten Gene findet, die als beste Indikatoren dafür dienen, ob ein Bakterium Sauerstoff mag oder hasst.
2. Das Werkzeug bauen (OxyMetaG): Sie entwickelten ein Software-Tool namens OxyMetaG. Betrachten Sie dieses Tool als einen superschnellen Bibliothekar.
   • Sie geben ihm einen Stapel genetischer „Seiten“ (DNA-Reads) aus einer Bodenprobe oder einer Darmprobe.
   • Der Bibliothekar ignoriert die Bücher, die er nicht braucht, und sucht nur nach diesen spezifischen 20 Hinweis-Genen.
   • Er zählt, wie viele „sauerstoffliebende“ Hinweise er findet im Vergleich zu „sauerstoffhassenden“ Hinweisen.
   • Basierend auf diesem Verhältnis sagt er Ihnen: „Diese Probe besteht zu etwa 60 % aus Sauerstoffliebhabern und zu 40 % aus Sauerstoffhassern.“

Warum dieses Werkzeug besonders ist

Normalerweise versuchen Wissenschaftler, eine gesamte bakterielle Gemeinschaft zu verstehen, indem sie versuchen, die gesamte „Bibliothek“ wieder aufzubauen (das gesamte Genom zusammenzusetzen), was so ist, als würde man versuchen, eine zer shredderte Enzyklopädie aus einer einzelnen Seite zu rekonstruieren. Das dauert lange und scheitert oft, wenn die Probe unordentlich oder klein ist.

OxyMetaG überspringt die harte Arbeit. Es muss nicht die ganze Bibliothek wieder aufbauen; es scannt einfach die Seiten nach den spezifischen Schlüsselwörtern, die es benötigt. Das bedeutet, dass es auch bei kleinen, unordentlichen Proben funktioniert und keinen Supercomputer erfordert.

Was sie entdeckten

Sie testeten ihr Tool in zwei sehr unterschiedlichen Welten:

• Die Bodenwelt: Sie untersuchten 540 verschiedene Bodenproben. Sie fanden heraus, dass trockene, sandige Böden meist voller sauerstoffliebender Bakterien sind. In nassen, schlammigen oder feinkörnigen Böden (wo Wasser die Luft blockiert), erkannte das Tool jedoch korrekt eine Verschiebung hin zu sauerstoffhassenden Bakterien.
• Die menschliche Darmwelt: Sie untersuchten 73 Proben aus menschlichen Därmen und verfolgten dabei, wie sich die Umgebung während des Wachstums eines Babys verändert. Sie fanden eine klare Geschichte:
  • Neugeborene: Ihre Därme sind wie eine sonnige Wiese, voll von sauerstoffliebenden Bakterien (bis zu 61 %).
  • Mit Alter 3: Der Darm verwandelt sich in eine dunkle Höhle und wird vollständig von sauerstoffhassenden Bakterien dominiert.

Das große Ganze

Die Forscher haben einen Weg geschaffen, um Bakterien in Bioindikatoren zu verwandeln. Genau wie man die Art der Fische in einem Teich betrachten könnte, um die Wasserqualität zu erraten, kann man nun die genetischen „Fußabdrücke“ von Bakterien betrachten, um auf die Sauerstoffgehalte einer Probe zu schließen. Dieses Werkzeug, OxyMetaG, steht nun jedem zur Verfügung, um die verborgenen Sauerstoffgehalte in modernen Umgebungen oder sogar in antiken Umgebungen zu verstehen, ohne den Sauerstoff direkt messen zu müssen.