Czy to w gorących źródłach, w ludzkich jelitach, czy w głębinach morskich – mikroorganizmy kolonizują prawie każde miejsce na ziemi, czasami w ekstremalnych warunkach. W zależności od tego, jak organizmy te przystosowały się do określonych warunków środowiskowych w takich niszach ekologicznych, ekolodzy klasyfikują je jako „generalistów” lub „specjalistów”. Podczas gdy generaliści radzą sobie w szerokim zakresie warunków środowiskowych, specjaliści rozwijają się tylko w bardzo specyficznych okolicznościach.
„Kluczowym pytaniem przy badaniu tak różnych strategii mikrobiologicznych jest przede wszystkim to, jak zdefiniować nisze ekologiczne mikroorganizmów” – mówi prof. dr Bas E. Dutilh. Do tej pory robiono to głównie w oparciu o subiektywne parametry środowiskowe, które z trudem pozwalają na bezstronną kwantyfikację niszy. Bioinformatyk z Cluster of Excellence „Balance of the Microverse” na Uniwersytecie w Jenie, wraz z naukowcami z Uniwersytetu w Utrechcie, wykorzystał zatem nowatorską – opartą na danych – metodę do opisania nisz mikrobiologicznych, w których sama społeczność gatunków jest uważany za decydujący czynnik środowiskowy, a nie zewnętrzne warunki siedliskowe. Działa to, ponieważ społeczności drobnoustrojów szybko dostosowują się do środowiska, więc ich skład odzwierciedla sumę wszystkich czynników środowiskowych.
Większość siedlisk mikrobiologicznych zdominowanych przez generalistów
Na potrzeby swoich badań naukowcy przeanalizowali i określili ilościowo tysiące zestawów danych metagenomicznych z różnych próbek drobnoustrojów z całego świata. „Odkryliśmy, że w większości siedlisk dominują generaliści” – mówi Dutilh. Naukowcy byli początkowo zaskoczeni tym odkryciem, ponieważ zakładali, że w lokalnych niszach mogą dominować specjaliści, ponieważ są lepiej przystosowani do konkretnych warunków. Odkryli jednak, że konkurujący generaliści mogą rozwijać się znacznie szybciej, a tym samym zdobywać dominację w niszy. „Dla generalistów to jednak kwestia trafienia lub chybienia; albo im się to udaje, albo nie. To sprawia, że są dość zróżnicowani w swojej obecności. Specjaliści są bardziej stabilni w swojej niszy, choć przy niskiej liczebności”.
I był jeszcze jeden wynik, którego naukowcy się nie spodziewali: genomy generalistów nie są szczególnie duże. „Wcześniej zakładano to, ponieważ uważano, że elastyczność metaboliczna generalnie wymaga większego genomu” – informuje Dutilh. Ale jak się okazuje, korelacja między zasięgiem niszy a rozmiarem genomu jest bardziej złożona. „Odkryliśmy dwie przeciwstawne strategie ewolucyjne: w siedliskach o stosunkowo niskiej lokalnej różnorodności biologicznej, takich jak mikrobiomy związane ze zwierzętami, specjaliści mają stosunkowo mały genom. W siedliskach o dużej różnorodności biologicznej, takich jak gleby, genom specjalistów jest znacznie większy”.
Genomy generalistów są bardziej zmienne niż genomy specjalistów, a geny pojawiają się i znikają podczas ewolucji. To pozwala im integrować informacje genetyczne z innych organizmów poprzez horyzontalny transfer genów, a tym samym szybko dostosowywać się do lokalnej niszy. “Widzimy również specyficzne funkcje, które są związane z poziomym transferem genów w genomach ogólnych” – mówi Dutilh. Funkcje związane ze specjalistami są znacznie bardziej zróżnicowane, często związane z bardzo specyficznymi procesami metabolicznymi. Genomy specjalistów są stabilne ewolucyjnie, w przeciwieństwie do genomów ogólnych.
„Podsumowując, nasza analiza rzuca nowe i nieoczekiwane światło na strategie dotyczące nisz mikrobiologicznych w całym mikrobiologicznym drzewie życia” – jest przekonany Bas E. Dutilh.