Niektóre bakterie tworzą kolonie, które wykazują uderzające, odblaskowe kolory. Nowe spostrzeżenia genetyczne dotyczące powstawania takich kolorów pozwoliły interdyscyplinarnemu, międzynarodowemu zespołowi badaczy zidentyfikować środowiska i grupy bakterii, w których występują te kolory. Dzięki temu zespół rozpoczął zrozumienie funkcji tych kolorów w bakteriach. Odkrycia, które opublikowano dzisiaj w czasopiśmie naukowym Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), mogą mieć znaczenie dla rozwoju nowych innowacyjnych materiałów, które wykorzystują bakterie do zastąpienia niezrównoważonych barwników.
Uderzające, żywe kolory, które znamy ze skrzydeł motyli i piór pawia, nie są wynikiem barwników ani pigmentów. Zamiast tego powstają dzięki maleńkim, uporządkowanym strukturom, które oddziałują ze światłem, tworząc żywy pokaz odcieni, który często jest postrzegany jako opalizacja (zmiany kolorów w zależności od kąta patrzenia lub oświetlenia). Taki „kolor strukturalny” jest szeroko rozpowszechniony w naturze i występuje również u bakterii.
Kolor strukturalny nie jest wyświetlany przez pojedyncze bakterie jednokomórkowe, ale przez kolonie niektórych bakterii. Poprzednie badania wykazały, że specyficzne geny zaangażowane w ruchliwość pozwalają tym bakteriom na precyzyjne ustawienie się i tworzenie wysoce ustrukturyzowanych kolonii, które są zdolne do wytwarzania iryzacji.
Dokładna funkcja koloru strukturalnego u bakterii, jak również genetyka za nimi stojąca, do tej pory pozostawały w dużej mierze nieznane. W innych formach życia kolor strukturalny odgrywa rolę w prezentacji, kamuflażu lub ochronie przed światłem, między innymi.
Konkretne geny
Aby lepiej zrozumieć genetykę stojącą za kolorem strukturalnym u bakterii, pierwszym krokiem, jaki podjęli naukowcy, było zebranie 87 strukturalnie zabarwionych izolatów bakteryjnych, obok 30 blisko spokrewnionych nieopalizujących szczepów. Następnie określili sekwencję DNA tych bakterii. Porównując sekwencje DNA różnych szczepów, naukowcy odkryli, że bakterie wykazujące kolory strukturalne dzieliły specyficzne geny, których nie było w bakteriach nieopalizujących, mimo że bakterie opalizujące należały do bardzo zróżnicowanych i różnych grup bakteryjnych.
„Sugeruje to, że geny odpowiedzialne za kolor strukturalny mogą być wspólne dla bakterii, które nie są bezpośrednio spokrewnione”, mówi Bas Dutilh, profesor wizytujący na Uniwersytecie w Utrechcie i profesor ekologii wirusowej i omiki na Uniwersytecie w Jenie. „Możliwość prześledzenia ewolucji tej cechy kolonii, która jest dla nas tak uderzająca, może pomóc nam zrozumieć jej funkcję w bakteriach”. Co ciekawe, niektóre geny, które były powiązane ze kolorem strukturalnym u bakterii, przyczyniają się również do zjawiska w skrzydłach motyli.
To naprawdę pokazuje potencjał uczenia maszynowego w przewidywaniu funkcji biologicznych na podstawie bardzo złożonych danych genetycznych.
Alderta Zomera
Nauczanie maszynowe
Łącząc spostrzeżenia genetyczne z danymi 117 sekwencji DNA, naukowcy wytrenowali również model komputerowy, aby był w stanie przewidzieć, czy bakterie będą wykazywać iryzację, opierając się wyłącznie na ich sekwencji DNA. Wykorzystali technikę zwaną uczeniem maszynowym, formę sztucznej inteligencji, która wykorzystuje modele matematyczne, aby umożliwić komputerom uczenie się bez wydawania im bezpośrednich instrukcji. „Model uczenia maszynowego niespodziewanie przewidział również kolor strukturalny w nowych grupach bakterii, co potwierdziliśmy w laboratorium. To naprawdę pokazuje moc uczenia maszynowego w przewidywaniu funkcji biologicznych na podstawie bardzo złożonych danych genetycznych”, mówi badacz UU Aldert Zomer.
Dystrybucja koloru strukturalnego
Mając w ręku model uczenia maszynowego, ówczesny doktorant Bastiaan von Meijenfeldt przeszukał i przeanalizował 250 000 publicznie dostępnych sekwencji DNA bakterii i 14 000 metagenomów, kompletnych zestawów sekwencji DNA znalezionych w próbkach środowiskowych lub klinicznych. Korzystając z tych danych, Von Meijenfeldt postanowił zmapować rozkład koloru strukturalnego w bakteryjnym drzewie życia i w różnych siedliskach.
Badacz odkrył, że bakterie żyjące w lub na żywicielach, takie jak nasze bakterie jelitowe, prawie nigdy nie wykazują strukturalnego koloru. Natomiast przewidywano, że strukturalny kolor będzie obfity u bakterii żyjących w wodach morskich i jeziorach oraz na interfejsach między powierzchnią a powietrzem, takich jak lodowce i obszary pływowe. To ostatnie odkrycie może sugerować, że funkcją strukturyzacji w tych koloniach bakteryjnych jest rzeczywiście interakcja ze światłem. Jednak nie zawsze tak się wydaje.
Von Meijenfeldt: „Byliśmy bardzo zaskoczeni, widząc, że liczba genów zaangażowanych w kolor strukturalny wzrosła w głębszych wodach, gdzie światło nie przenika. Nie jest to to, czego można by się spodziewać, gdyby łamanie światła odgrywało rolę w kolorze strukturalnym bakterii. Znaleźliśmy potwierdzenie hipotezy, że kolor strukturalny bakterii jest związany z unoszącymi się cząsteczkami na tych ciemnych głębokościach, co potencjalnie może oznaczać, że struktura ma inne zalety, a kolor strukturalny w tym przypadku jest produktem ubocznym”.
Współpraca interdyscyplinarna
Badanie było wysoce interdyscyplinarną współpracą. Naukowcy z Utrechtu połączyli swoją wiedzę specjalistyczną z zakresu genomiki, dziedziny, która koncentruje się na badaniu kompletnego zestawu DNA organizmów, oraz uczenia maszynowego z wiedzą Henka Bolhuisa (NIOZ) na temat mikrobów morskich. Richard Hahnke (Leibniz Institute DSMZ) dostarczył rzadkie izolaty bakteryjne, a Silvia Vignolini (University of Cambridge i Max Planck Institute of Colloids and Interfaces) przeprowadziła eksperymenty, które udowodniły strukturę kolonii.
Nowe, fundamentalne spostrzeżenia dotyczące strukturalnego koloru bakterii mogą stać się podstawą przyszłego rozwoju innowacyjnych materiałów.
Colin Ingham, założyciel firmy biotechnologicznej Hoekmine BV i inicjator badania, wniósł swój wkład w badania i zbiór szczepów związanych z kolorem strukturalnym. Ingham wyjaśnia potencjalną wartość strukturalnie zabarwionych bakterii dla biotechnologii: „Idea polega na tworzeniu koloru z nieszkodliwych bakterii, aby zastąpić barwniki, które często zanieczyszczają i nie odpowiadają zrównoważonej gospodarce”. Nowe fundamentalne spostrzeżenia na temat koloru strukturalnego bakterii mogą zatem stanowić podstawę przyszłego rozwoju innowacyjnych materiałów.
Opublikowanie
Kolor strukturalny w domenie bakteryjnej: Ekogenomika dwuwymiarowego fenotypu optycznego Aldert Zomer, Colin J. Ingham, FA Bastiaan von Meijenfeldt, Álvaro Escobar Doncel, Gea T. van de Kerkhof, Raditijo Hamidjaja, Sanne Schouten, Lukas Schertel, Karin H. Müller, Laura Catón, Richard L. Hahnke, Henk Bolhuis, Silvia Vignolini i Bas E. Dutilh PNAS, 11 lipca 2024 r. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2309757121
Badania te zostały dofinansowane ze środków grantu ZonMW Enabling Technologies Hotels (40-43500-98-4102/435004516).
