Brave New Bakteriel Verden

På trods af 300 års kig gennem mikroskoper, dyrkning af bakterier i kultur og screening af jord, luft og vand for nye mikrobielle arter, har videnskabsmænd klart overset meget af livet på jorden. Takket være kraftfulde nye forskningsværktøjer opdager bakteriologer, at den levende verden pludselig er langt større og mere kompleks, end de forestillede sig selv for et årti siden. Fundet ligner måske i størrelsesordenen den hollandske mikroskopist Antonie van Leeuwenhoeks første glimt af mikrober - han kaldte dem dyrekuler, der skubbede under hans rå glaslinser.

Fordi bakterier i det væsentlige var uopdagelige, medmindre de kunne dyrkes i kultur, har de fleste arter - som eksisterer i svært at replikere miljøer - på en måde været ude af grænser. Tænk, hvis hele vores forståelse af biologi var baseret på besøg i zoologiske haver, siger Norman R. Pace, biolog ved University of California, Berkeley. Det er analogt med vores situation med hensyn til at forstå den mikrobielle verden.

Denne historie var en del af vores april-udgave fra 1997

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Melvin Simon, formand for afdelingen for biologi ved California Institute of Technology, vurderer, at omkring 99 procent af bakterierne derude endnu ikke kan dyrkes i laboratoriekulturskåle. Det skyldes, at videnskabsmænd ofte ikke kan bestemme den præcise kombination af forhold - inklusive ilt, temperatur og lys - som mikrober har brug for, og fordi det er svært at simulere disse krav på én gang for at gøre dem glade. Omkring 6.000 arter af mikroorganismer er blevet formelt beskrevet. Og indtil nu, siger han, er resten forblevet usynlige for os.

Nøglen til at få et første indblik i denne nye verden var at lære, hvordan man isolerer, forstærker og studerer en organismes genetiske materiale direkte fra miljøet uden at dyrke selve organismen. Ved at bruge molekylære instrumenter, der selektivt udvælger en bakteries meget specifikke gener fra en bouillon af DNA, kan forskerne nu hurtigt identificere nye organismer, udforske deres egenskaber og bestemme deres slægtskab til organismer, der allerede er kendte.

Fremtrædende blandt de nye molekylære værktøjer er den genforstærkende teknik kaldet PCR, polymerasekædereaktionen. PCR tillader specifikke gener at blive isoleret og kopieret i det uendelige, så der bliver nok tilgængelige til detaljeret undersøgelse, såsom af et gens DNA-sekvens. Og det er i sekvensen - faktisk forskellene i sekvenser fra en organisme til en anden - at mikrobernes identitet kan ses.

Sammen med PCR omfatter de nye værktøjer hurtig sekventeringsteknologi, hurtig computerbehandling af gensekvensdata og stadig mere nøjagtig elektroforeseteknologi, som elektrisk adskiller gener i en gel eller væske efter størrelse.

Et af de vigtigste analytiske mål for et sådant arbejde er det allestedsnærværende RNA (ribonukleinsyre) i ribosomer, de små afrundede kroppe, som levende celler bruger som proteinopbyggende anordninger. Alle celler har ribosomer, og fordi det RNA, de indeholder, er lidt forskelligt fra den ene art til den næste, fungerer den som en pålidelig markør - en slags molekylær hundemærke - der kan bruges til at identificere, klassificere og analysere hver ny mikrobe.

Det overraskende fund er, at overalt hvor forskerne anvender disse nye teknikker, støder de på mærkelige nye bakterier, i overflod og mangfoldighed, som ingen rigtig havde forventet. For eksempel, som Paul Dunlap, en associeret videnskabsmand ved Woods Hole Oceanographic Institution i Massachusetts, forklarer i Woods Hole-publikationen Oceanus, er havets mikrobielle liv så utroligt rigeligt, at i nogle tilfælde forekommer organismer i ekstraordinært høje antal, op til omkring 100 milliarder pr. milliliter havvand. Faktisk er organismer mindre end 2 mikrometer i diameter, der findes i havet, så rigelige, at de tegner sig for 95 procent af massen af ​​alle former for liv i verdenshavene.

Sedimentære jordarter, selv det gamle mudder aflejret på dybhavsbunden, er også meget levende med mikroorganismer. Nylig boring i bunden af ​​det japanske hav, for eksempel, bragte prøver op fra lag af sediment begravet 500 meter dybt indeholdende millioner af organismer i hvert gram jord.

Nye Riger

Resultaterne tyder på, at selv en lille tår vand, eller en lille prøve af jord, bærer nok bakterier - de fleste af dem hidtil ukendte - til at holde grupper af forskere beskæftiget i årevis. Der er nye gener, nye enzymer og nye funktioner, vi ikke ved noget om, konstaterer Simon, og dataene hober sig for hurtigt op til at blive analyseret i detaljer. De (mikroberne) har endda nogle forskellige slags cellemembraner, hvilket tyder på, at helt nye områder inden for biologi er der for at blive udforsket.

Da hver organisme har sine egne gener, karakteristiske biokemi, struktur og adfærd, er det industrielle potentiale enormt. Hver art rummer mellem 1.000 og 5.000 gener, og for det meste er deres biokemiske egenskaber stadig ukendte. Så det er sandsynligt, at nye enzymer, fødevarer, lægemidler, kemikalier, materialer og processer vil blive opdaget. Bakterier, der kan leve i det fjendtlige miljø i varme kilder, har for eksempel givet specielle enzymer, der præsterer smukt ved høje temperaturer, og som kunne være nyttige i kemisk behandling. Pace siger også, at nogle mikroorganismer laver stoffer, der klæber til overflader i vand, der næsten koger, hvilket kan være værdifuldt i visse fremstillingsoperationer.

I evolutionære termer, bemærker Simon, bør det ikke komme som nogen overraskelse, at der findes så mange forskellige slags bakterier, selv på steder, hvor de engang virkede usandsynlige. For i 3 milliarder år var verden trods alt befolket af bakterier og sandsynligvis meget lidt andet. Så disse encellede organismer har haft langt mere tid til at udvikle sig end de fleste andre skabninger på jorden.

skjule