2012/12



   Eesti Looduse
   fotovoistlus 2010




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
artiklid EL 09/2002
Eluslooduse mitmekesisus molekulaarsest vaatenurgast

Arvestades mikroorganismide olulisust aineringetes, nende vga laia levikut ja suurt biomassi, on meie teadmised mikroobide mitmekesisuse kohta vga kesised. Klassikalisi uurimismeetodeid ha rohkem asendav tnapevane molekulaarbioloogia on mrgatavalt laiendanud arusaamu mikroorganismide rohkusest, sugulussidemetest ja universaalsest evolutsioonipuust.

Mikroobidele mtleb enamik inimesi ainult haiguse ajal, rmisel juhul meenub juustu vi lle tootmine. Looduse mitmekesisusena mistame tavaliselt makroorganisme: pahatihti lpebki liikide loend hulkraksete organismidega. Kui aga vtame he neist organismidest, niteks putuka ja uurime teda lhemalt, siis leiame tema seest sadu vi isegi tuhandeid mikroobiliike. Peotis mulda sisaldab miljardeid mikroorganisme ning nii palju liike, et seda arvu ei osata pris tpselt isegi hinnata. Ainult vike hulk mikroorganismidest on meile tuntud. Veidi le 5000 bakteri ja rgi on senini kultiveeritud ja kirjeldatud, herakulisi eukaroote teatakse maailmas umbes 80 000 (vastandina peaaegu miljonile kirjeldatud putukaliigile).

Mikroobide maailm on tundmatu eesktt seeprast, et nad on vga pisikesed, ksikindiviidina inimese silmale nhtamatud. Vaid Namiibia vvliprlbakteri (Thiomargarita namibiensis) keskmine lbimt on 0,5 mm ja seega on ta palja silmaga nhtav [3]. Kuid see bakter on samasugune hiiglane nagu sinivaal hiire krval.

Mikroobid avastati ldse sna hiljuti, umbes kolmesaja aasta eest, kui Leeuwenhoek asus loodust mikroskoobi abil vaatlema. Kahjuks ei aita mikroskoop kuigivrd mikroorganisme klassifitseerida: neme vaid kerakesi vi pulgakesi, millel pole selgelt eristatavat peenemat struktuuri (joonis 2A).


19. sajandi teisel poolel leiutas sakslane Rober Koch puhaskultuuride meetodi: ta isoleeris siberi katku ja koolerat tekitavad bakterid. Puhaskultiveerimine on siiani phimeetod, mille abil uuritakse baktereid igapidi, eelkige nende fsioloogiat. Paraku annab see mikroobide mitmekesisusest vga piiratud ettekujutuse, kuna neist suuremat osa ei nnestu standardmeetodite abil kultiveerida. Veelgi enam, morfoloogial ja ainevahetuse eripral phinev klassifitseerimine ei anna loomulikku, evolutsioonilistel suhetel rajanevat ssteemi.

Molekuli jrjestused ja universaalne evolutsioonipuu. Tnapeval arendatud molekulaarsed meetodid suudavad teatud mral seda puudujki tita. Isegi praegused esialgsed tulemused on oluliselt muutnud meie arusaamu mikroobide mitmekesisusest.

Enne biomolekulide, peamiselt nukleiinhapete jrjestustel phinevate meetodite rakendamist 1960. aastate keskel polnud vimalik selgitada kogu elusloodust hendavaid universaalseid evolutsioonilisi suhteid. Varem jagati elusloodus tavaliselt viieks haruks ehk riigiks: loomad, taimed, seened, protistid ehk algloomad ja bakterid. Samuti teati, et krgemal tasemel jaguneb niliselt olulisem elusloodus eukarootideks, kellel on olemas DNAd mbritsev tuumamembraan, ning tuumamembraanita prokarootideks. Valdav osa eluslooduse mitmekesisusest Maal arvati tulenevat eukarootidest, eriti nende hulkraksetest vormidest.

Lbimurdeni juti 1960. aastate lpul, kui mrati esimesed biomolekulide jrjestused ja leiti, et nende phjal on vimalik nidata organismide evolutsioonilist kuuluvust. ks tooni andvamaid teadlasi sellel alal on olnud Carl Woese, kes ribosoomi-RNA (rRNA) jrjestusi vrreldes koostas kiki organismitpe hendava molekulaarse evolutsioonipuu (joonis 1), mida kasutatakse elu ajaloolise arengu rekonstrueerimisel.

Ribosoomid on raku organellid, mis koosnevad RNA ja valgu molekulidest ning vastutavad uute valkude snteesi eest. Kuna uusi valke snteesitakse kigis rakkudes, siis on ka ribosoomid eluslooduses kikjal levinud. Seega saab rRNA ja seda kodeerivate geenide jrjestusi kasutada universaalset evolutsioonipuud koostades.

Phimtteliselt on sellist puud lihtne koostada. Eri organismide rRNA jrjestusi vrreldakse paari kaupa ja loetakse kokku erinevused. Saadud arv ongi organismidevahelise evolutsioonilise kauguse mt, sest erinevuste tekkeks on kulunud teatud aeg. Nd vrreldakse omakorda evolutsioonilisi kaugusi ning selle phjal leitaksegi ldine puu, kus ksteisele kige sarnasemad oksad asuvad krvuti. Okste pikkus vastab rRNA jrjestuses toimunud muutuste arvule ehk evolutsioonilisele kaugusele. Seda puud vib vaadelda organismide geneetiliste phikomponentide evolutsiooni nitava kaardina. Paraku ei vasta evolutsiooniline kaugus reaalsele ajale, puu eri harud on evolutsioneerunud erisuguse kiirusega. Hoolimata sellest nitab harude eraldumise jrjekord organismide omavahelisi evolutsioonilisi suhteid. Joonisel 1 esitatud rRNA jrjestuste phjal tehtud evolutsioonipuu htib ldjoontes teiste nukleiinhapetes talletatud informatsiooni silitamises ja avaldumises osalevate molekulide jrjestuste alusel koostatud evolutsioonipuudega. Kui me vrdleme raku ainevahetusradades osalevaid ensme kodeerivate geenide jrjestusi, siis saame tihti teistsuguse puu. Oletatavasti vib selle phjuseks olla horisontaalne geenilekanne, millest tuleb juttu edaspidistes kirjutistes.


Universaalset evolutsioonipuud uurides neme esiteks kolme haru, mida nimetatakse ka domeenideks: eukaroodid, bakterid ja rgid; rge on varem kutsutud ka arhebakteriteks ehk arheateks.

Eukarootide eripra on DNAd mbritsev tuumamembraan. Eukaroodid on kik loomad, taimed ja seened. Peale makroorganismide leidub looduses palju ainurakseid eukaroote, keda me palja silmaga ei ne.

Bakteritel pole tuumamembraani. Baktereid leidub kikjal meie mber ja sees, nahal, soolestikus jne. Mned neist phjustavad haigusi, kuid enamikuga elame vastastikku kasulikus smbioosis.

rgid ehk arhebakterid arvati varem bakterite hulka, kuna neilgi pole tuumamembraani. rgide iserasusi, nagu niteks rakumembraani lipiidide omaprane struktuur, ei pandud piisavalt thele liigitamaks neid iseseisvasse eluslooduse domeeni. Nd on selgunud, et paljud rgide raku geneetilise informatsiooni paljundamise, silitamise ja avaldumise eest vastutavad ensmid sarnanevad eukarootide vastavate ensmidega. See toetab veenvalt rRNA jrjestuste phjal koostatud evolutsioonipuud, kus rgid on lhemal eukarootidele kui bakteritele.

Kus need salaprased rgid elavad? Esimestena avastatud ning siiani enim tuntud rgid elavad rmuslikes elukeskkondades, niteks kuumaveeallikates, kus veetemperatuur vib ulatuda 100 kraadini vi lisoolastes jrvedes, kus soolsus ulatub 300 promillini (maailmamere soolsus on 3436 promilli). Tpsemalt uurides on selgunud, et rgid ei olegi nii eksootilised: mned elavad isegi meie sooles ja toodavad seal metaani. Samuti on neid palju igasuguses looduskeskkonnas. Niteks maailmaookeanis hinnatakse rgide arvuks umbes 1,3 1028 rakku [1].

ks llatavamaid avastusi evolutsioonipuud vaadeldes on see, et enamik meile siiani tuntud organismidest moodustavad ainult pisikese osa bioloogilisest mitmekesisusest. Taimed, seened ja hulkraksed loomad kuuluvad kik hte eukarootide oksa, olles omavahel evolutsiooniliselt vga lhedased. Suurema osa eluslooduse mitmekesisusest moodustavad vhetuntud mikroorganismid.

Evolutsioonipuul leiame ka mitokondri ja kloroplasti. Need eukarootse raku lahutamatud organellid (kloroplastid on ainult taimerakkudes) sisaldavad DNAd, mis kodeerib vastavas organellis talitlevat rRNAd. Seega on rRNA jrjestuste abil vimalik jlgida ka mitokondri ja kloroplasti evolutsiooni. Molekulaarsed andmed kinnitavad veenvalt hpoteesi, et mitokondrid ja kloroplastid on tekkinud smbiontsetest bakteritest, kes on arenenud peremeesrakuga koevolutsioneerudes. Mitokondrid on tekkinud proteobakteritest ja kloroplastid tsanobakteritest ehk sinivetikatest. Niisiis on eukarootide omadus hingata ja fotosnteesida tekkinud bakteritest smbiontide kaasabil. Seevastu eukarootide tuuma moodustanud organismid evolutsioneerusid pikka aega iseseisvalt, moodustades eraldiseisva eluslooduse haru. Mitokondri ja kloroplasti omandas eukaroot suhteliselt hiljuti. Osal eukarootidel puuduvad mitokondrid. Praegu ei teata, kas nad pole veel mitokondreid omandanud vi on varasemad mitokondrid anaeroobse elukeskkonna tttu kadunud.

Kuidas mikroobe les leida ja ra tunda? Pikka aega on olnud ainus meetod uusi mikroorganisme kindlaks teha nende kasvatamine laboratooriumis. Nd on aga selgunud, et mnest elukeskkonnast saab kultiveerida vaid alla he protsendi mikroobe. Kuna molekulaarne taksonoomia rajaneb nukleiinhapete jrjestustel, siis on uute mikroorganismide identifitseerimiseks vaja ainult geeni jrjestust, mitte enam tervet elusat rakku. Jlgimaks organismide olemasolu, tuleb paljundada rRNA geene loodusest isoleeritud DNAlt. Ei ole vaja leida tingimusi eri organismide kasvuks, piisab hsti vlja ttatud DNA ekstraheerimise ja paljundamise meetoditest. Niisugune mikroobide kossteemide vaatlus ei ole ainult taksonoomiline harjutus: teadaolevate jrjestuste alusel saab arendada vlja meetodeid, mis vimaldavad edaspidi tpsemalt uurida mikroobide elu looduslikus keskkonnas [2].

Loodusest eraldatud DNAst on vaja ige geen les leida ja paljundada. Kige thusam meetod on polmeraasi ahelreaktsioon (PCR, ingl. Polymerase Chain Reaction), mis kujutab endast nukleiinhappe jrjestuse kunstlikku paljundamist katseklaasis (joonis 3). Et rRNA mned piirkonnad on tugevasti konserveerunud, siis on vimalik leida universaalseid PCRi praimereid (lhikesi heahelalisi DNA molekule), mille abil saab paljundada rRNA geene kikide organismide genoomsest DNAst. Phimtteliselt on sel moel vimalik paljundada kigi uuritavas proovis leiduvate organismide rRNA geene. Eri geenid lahutatakse ksteisest neid kloonides: ksik DNA molekul viiakse laboris kasvatatavasse bakterisse ning kasvatatakse-paljundatakse koos selle bakteriga. Seejrel mratakse nende nukleotiidsed jrjestused.

Juba esimesed molekulaarsed uuringud tendasid, et meie senine ettekujutus mikroobide maailmast on puudulik. Peaaegu iga uus PCRi abil tehtud t on identifitseerinud uusi mikroobide rhmi. Ribosoomi-RNA geenide jrjestused, mis on kogutud looduslikust keskkonnast, annavad esialgset informatsiooni looduses leiduvate mikroobide kohta. Neid vib tpsemalt edasi uurida, kui nad tunduvad huvitavad vi potentsiaalselt kasulikud. Kui tahame mista biosfris toimuvaid protsesse, siis peame tundma mikroobide mitmekesisust. Kiki Maa mikroobirhmi ei saa 'taksonoomiliselt' kataloogida ja selleks polegi vajadust. Ent mingi ettekujutus on siiski oluline. htlasi vimaldavad molekulaarsed meetodid paremini mista mikroobide koloogiat.



1. Karner, Markus B., DeLong, Edward F., Karl, David M. 2001. Archaeal dominance in the mesopelagic zone of the Pacific Ocean. Nature 409: 507510.

2. Pace, Norman R. 1997. A molecular view of microbial diversity and the biosphere.
Science 276: 734740.

3. Schulz, Heide N. et al. 1999. Dense Population of a Giant Sulfur Bacterium in Namibian Shelf Sediments. Science 284: 493495.


Tanel Tenson (1970) on lpetanud Tartu likooli bioloogina, kaitsenud doktorit molekulaarbioloogia erialal; praegu Tartu likooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi vanemteadur.

Veljo Kisand (1970) on lpetanud Tartu likooli bioloogina, kaitsenud doktorit hdrobioloogia erialal; praegu jreldoktor Oldenburgi likooli merekeemia ja -bioloogia instituudis Saksamaal.




Tanel Tenson, Veljo Kisand
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012

Mis see on?
E-posti aadress:
Liitun:Lahkun: 
Serverit teenindab EENet